Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

131

charge. It was established that at addition in charge of 30% of billets with superfine

microstructure, survivability of hereditary modifying remained within 1 hour, at

addition of 50% of – within 2 hours. At remelting of 100% of ingots with superfine

structure, survivability of hereditary modifying was 3 hours. Thus, the sizes of

crystals of primary and eutectic silicon of billets of pistons were on the average

30 µm and 6 µm accordingly. Billets of pistons obtained by usual factory technol-

ogy, despite modifying by phosphorous copper, sulphur and natriumcontainig flux

had microstructure with the dimensions of crystals of primary and eutectic silicon

of 60…80 µm and 12…18 µm.

Thus, use of structurally-superfine billets from hypereutectic silumin as a part

of charge allows to crush microstructure of billets of pistons in 2…5 times only at

the expense of improvement of their structural heredity.

3.2 Hereditary modifying of microstructure of eutectic silumins

The important application of structurally-superfine silumins is improvement

of structural heredity of billets, obtained by die casting. It can help to solve the prob-

lem of gas porosity in castings. It is noticed that this kind of defect prevails in those

billets, which have macrocrystalline structure. It is obtained in a consequence of the

fact that pouring of metal by plants of die-casting is made for a long time at rather

low temperatures. In these conditions efficiency of influence of modifying flux de-

creases and macrocrystalline heredity of charge starts to prevail. Researches were

carried out in casthouse of die casting under pressure of blocks of electric motors

from Al+12%Si alloy. Castings with superfine microstructure were obtained by the

method of quenching solidification casting from production wastes. They were

added in charge in number of 20…30% from the general loading of the furnace. Fu-

sion and pouring of metal were made by factory technology. Modifying flux was not

applied. Obtained billets had finecrystalline microstructure with dispersions of crys-

tals of silicon of 1,5…3 µm. Dispersion of grain and phase components of castings

with the improved structural heredity is in 2…3 times above, than that of similar

ones, obtained by usual factory technology. Thus, gas-shrinkage porosity was ab-

sent. Thus, use of structurally-superfine castings from eutectic silumin as a part of

charge allows to crush considerably microstructure of billets and to reduce their po-

rosity only at the expense of improvement of their structural heredity.

3.3 Structurally-superfine silumin modifiers

Silumin can be used as the modifier of many alloys. It is rather fusible and is

well dissolved in steels, cast irons and bronzes without formation of slags. The basic

Высокоэнергетическая обработка материалов

132

components of silumin are aluminium and silicon, which serve as strong graphitiz-

ing elements. They allow to obtain castings from cast iron without chill. Aluminium

is widely applied as a deoxidizer and the modifier of steels. The silumin modifier

containing Ca, Mg, Ti, Sb, Fe, P, Р3М, is a degasifier having high chemical affinity

to oxygen, nitrogen, sulphur and hydrogen. Silumin is rather cheap and accessible

material possessing excellent foundry properties. Using structural heredity it is pos-

sible to raise essentially efficiency of action of silumin modifier. For this purpose it

should be obtained by quenching solidification casting and continuous casting in jet

crystallizer. Obtained structurally-superfine silumin modifiers (SSM) were used for

modifying of structure of castings from cast iron, steel, bronzes and silumins.

SSM was applied for modifying of cast iron of following compound, %: carbon

– 3.0; silicon – 2.0; manganese – 0.8; chrome – 0.4. The temperature of modifying did

not exceed 1350°С. The modifier was loaded in number of 0.3…0.6 % from weight

of liquid metal in a ladle. Castings 30 mm in diameter were obtained by casting in

sand mould. It is determined that SSM allows to obtain pearlite billets without chill

like with vermicular and spherical graphite (Fig. 3). At modifying of cast iron SSM

did not form some slag and it was assimilated on 100%. In view of rather low tem-

perature of fusion of this modifier it can be used for modifying of cupola and blast-

furnace cast irons to obtain castings with raised mechanical properties.

SSM was used for modifying of steel 35 at casting by consumable patterns.

The average thickness of casting was 11 mm. At casting by on usual (factory) tech-

nology the size of primary grain on the average was 900 microns, and castings had

pearlite-ferrite metal matrix with the content of ferrite of 20% (Fig. 4a). After modi-

fying SSM the size of primary grain on the average was 300 microns, and billets had

pearlite metal matrix (Fig. 4b).

SSM was loaded in 100-ton steel-ladle on a bar in number of 0.03% from fu-

sion weight. It is determined that such modifying has improved macrostructure of

continuously cast ingot 300х400 mm from steel 45 on: center segregation, segrega-

tion strips and the general cracks, edge dot pollution and skin holes. After reduction

the modified billet till the size of 140 mm in diameter structure improvement was

observed on: central porosity, dot heterogeneity and pipe segregation. Besides,

modifying of continuously cast steel ingot by SSM has led to increase of dispersion

of austenite grain in 1.5…2.0 times.

Высокоэнергетическая обработка материалов

133

a b

c d

Fig. 3. Microstructure of billets 30 mm in diameter from cast iron, modified by

SSM, obtained at casting in sand mould: a, c – not corroded; b, d – after corroding.

a b

Fig. 4. Microstructure of billets of steel 35, obtained at casting by consumable

patterns: a – obtained by on factory technology, b – after modifying SSM

Высокоэнергетическая обработка материалов

134

SSM was applied to modifying of castings from steel 35Л at casting in

sand mould. SSM was loaded into a ladle in capacity of 0.5 tons by sandwich-

process in number of 0.2% from weight of liquid metal. Structure of serial cast-

ings was crushed by heavy modifier of compound, %: Al – 25…30; РЗМ – 30;

Cu – 5; Fe – 15; Ni – 20…25. It was loaded in a ladle in number of 0.2 % from

weight of liquid metal. It is determined that SSM crushed microstructure of ex-

perimental samples, in comparison with serial, in 1,7 times and raised durability

on the average on 23%.

SSM was used for crushing of microstructure of castings 30 mm in diameter

from bronze Sn5Zn5Pb5 at casting in steel chill mould. The modifier was loaded in

number of 1% from weight of liquid metal in a ladle. It is determined that modifying

by SSM has crushed microstructure of castings on the average in 2 times and has

raised their hardness on the average on 51%.

SSM was applied for modifying of structure of castings of 30 mm in diameter

from bronze Al

at casting in steel chill mould. The modifier entered in number of

1% from weight of liquid metal in a ladle. The microstructure of castings from bronze

, obtained on usual technology, was presented in the form of through transcrys-

tallization (Fig. 5a). It is determined that modifying Al

has allowed to obtain cast-

ings with homaxonic grain structure of α-phase, to crush particles of FeAl

more than

in 5 times and to raise hardness of billets on the average on 21% (Fig. 5b).

a b

Fig. 5. Microstructure of billets 30 mm in diameter from bronze FeAl

obtained at casting in steel chill mould: a – not modified; b – after modifying SSM

Высокоэнергетическая обработка материалов

135

SSM was used for crushing of microstructure of castings of 30 mm in diame-

ter from hypereutectic silumin Al+18%Si at casting in steel chill mould. The modi-

fier was loaded in number of 0.5% from weight of liquid metal in a ladle. It is de-

termined that SSM crushed crystals of primary and eutectic silicon in 3…5 times

and led to obtaining of completely modified microstructure (Fig. 6).

a b

Fig. 6. Microstructure of billets 30 mm in diameter from alloy Al+18%Si,

obtained at casting in steel chill mould: а – not modified; b – after modifying SSM

SSM was applied for modifying of microstructure of castings of 30 mm in di-

ameter from eutectic silumin Al+12%Si at casting in steel chill mould. The modifier

was loaded in number of 0.5% from weight of melt in a ladle. It is determined that

СВСМ crushed the sizes of grains of α-phase on the average in 2.5 times and raised

dispersion of eutectic silicon on the average in 7 times.

SSM was applied for crushing of microstructure of castings "Case of re-

ducer" from alloy Al+12%Si at die-casting. The structure of billets obtained by

factory technology consisted of grains of α-phase in the size of 40…50 microns

and eutectic with dispersion of crystals of eutectic silicon to 20 microns. Treatment

of melt SSM in number of 0.5 % from weight of liquid metal has allowed to crush

grains of α-phase till the sizes of 10…15 microns and to obtain globular eutectic

silicon of 1 micron in diameter. Thus, spoilage of castings on leakage on the aver-

age decreased on 15%.

4. Conclusions

1. Structurally-superfine castings from silumins allow to carry out the process

of hereditary modifying during 2…3 hours and to raise dispersion of microstructure

of billets in 2…5 times.

Высокоэнергетическая обработка материалов

136

2. The higher dispersion of phase components of castings of charge is, the

more effectively the process of hereditary modifying is.

3. Structurally-superfine silumin modifiers allow to modify silumin, steel, cast

iron, bronze microstructure.

References

1. Marykovich E.I., Stetsenko V.Y. Casting of silumins with nanostructure

eutectic silicon // The 66

World Foundry Congress. 6–9 September, 2004,

ISTANBUL, Turkey, 2004. – Р. 1349–1354.

2. Patent RU 2288067 МПК B 22 D 7/00, 27/04.

3. Marykovich E.I., Stetsenko V.Y Obtaining of castings from hypereutectic

silumin by the method of quenching solidification casting // Casting and metal-

lurgy. – 2005. – №2. – Р. 142–144.

4. Stetsenko V.Y, Rivkin A.I., Pevnev A.M. Increase of efficiency of con-

tinuous casting of silumins Metallurgy and foundry / Treatises of conferences, Zhlo-

bin, Belarus, 2007. – Р. 265–267.

5. Marykovich E.I., Stetsenko V.Y Increase of an overall performance of

crystallizer at continuous casting of ingots // Casting and metallurgy. – 2005. –

№2. – Р. 139–141.

УДК 534.2

РЕГИСТРАЦИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ

КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ

ВЗРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В.И. Овчинников

, Е.А. Дорошкевич, А.И. Белоус

, Т.В. Петлицкая,

А. М. Петлицкий, С.М.Ушеренко

ГНУ НИИ ПМ ОХП "Научно-исследовательский институт импульсных

процессов с опытным производством" ул. Платонова 12б, г. Минск, 220600

НТЦ "Белмикросистемы" ул. Корженевского 14, г. Минск, 220600

Е-mail: ovchinnikovvi@yandex.ru, office@bms.by

В работе представлены результаты фундаментальных научных исследований по изуче-

нию электромагнитного излучения и магнитных полей, индуцируемых при динамическом

нагружении мишеней высокоскоростными потоками микрочастиц, ускоренных энергией

взрывчатого взрыва. Впервые выполнена практическая оценка параметров электромагнит-

ного излучения в процессе взрыва. Разработан прибор и экспериментально-аналитическая

Высокоэнергетическая обработка материалов

137

методика регистрации электромагнитного излучения при обработке материалов высоко-

энергетическими потоками порошковых микрочастиц, в условиях ударно-волнового нагру-

жения с визуальной регистрацией на экране дисплея компьютера трехмерных составляю-

щих вектора магнитного поля в зависимости от времени в режиме insitu, с возможностью

дальнейшей математической обработки полученной информации.

In work the results of fundamental scientific researches on study of electromagnetic radiation

and magnetic fields, induced are submitted at dynamic loading of targets by high-speed flows of

substance accelerated by energy of explosion. A practical estimation of parameters of electromag-

netic radiation for the first time is executed during explosion. The device and experimental - ana-

lytical technique of registration of electromagnetic radiation is developed at processing materials

by high-energy flows of powder microparticles, in conditions shock-wave loading with visual reg-

istration on the screen of the display of the computer of three-dimensional components of a vector

of a magnetic field depending on time in a mode insitu, with an opportunity of the further mathe-

matical processing of the received information.

Введение

Для получения новых материалов с уникальными свойствами нередко

используется энергия взрыва, например: при сварке разнородных материалов

взрывом, синтезе композиционных керамических материалов и гидровзрыв-

ной штамповке давлением взрыва, упрочнении металлов взрывом и т.д.

На современном этапе развития технологических установок, связан-

ных с получением и обработкой материалов энергией взрыва требуется все-

объемлющий

контроль параметров взрыва, а не только его некоторых инте-

гральных характеристик. В предыдущих работах [1,2] рассмотрены явления

образования электромагнитных эффектов в процессе кумуляции энергии

взрыва и, распространения высокоскоростных потоков вещества. Предложе-

на модель формирования магнитного поля в результате движения кумуля-

тивных струй и заряженных потоков частиц, а также схема реализации про

цесса. Получены доказательства, что кумулятивные процессы при ускорении

потоков частиц и их соударении с поверхностью твердого тела сопровожда-

ются импульсом электромагнитного излучения, из чего следует необходи-

мость измерения и регистрации параметров данного эффекта.

Стандартный контроль за основными параметрами зарядового устройст-

ва (тип взрывчатого вещества и его вес) и взрывной волны

, например: величи-

на давления, время действия механического импульса и т.д. не позволяют

обеспечить необходимую воспроизводимость технологии обработки материа-

ла энергией взрыва, поскольку они описывают в основном интегральные ха-

рактеристики взрывного процесса. При использовании взрывных ускорителей

порошка для получения достаточной воспроизводимости технологических па-

Высокоэнергетическая обработка материалов

138

раметров необходимо отслеживание за развитием тонкой структуры процесса

взрыва от начала его детонации (т.е. использования замедлителей детонации,

вариацию геометрических размеров и формы камеры ускорителя и т.д.) до его

последействия (например, намагничивания некоторых типов мишеней).

Измерения в условиях непосредственной близости от эпицентра взрыва

(расстояние от нескольких сантиметров до метра) в динамике развития про-

цесса, который характеризуется длительностью микросекундного диапазона,

осложнены сверхвысокими давлениями, огромными скоростями распростра-

нения ударных волн и другими экстремальными воздействиями (наличием

движущейся короткоживущей плазмы). Последнее требует использования не-

стандартных приемов регистрации процесса развития взрыва и изучения тон-

кой структуры короткоживущих плазменных процессов. Поэтому практически

нет возможности использовать стандартные регистрирующие приборы, а к

первичным измерительным преобразователям предъявляются особенно жест-

кие условия по стабильности и работоспособности в условиях эпицентра

взрыва. Поскольку при взрыве образуется и развивается в пространстве не-

изотермическая турбулентная короткоживущая плазма, была предложена идея

контроля развития взрывной обработки материалов по измерению составляю-

щих индукции магнитного поля Bx, By, Bz в декартовой системе координат X,

Y, Z в непосредственной близости от эпицентра. Временные зависимости

Bx(t), By(t), Bz(t) а, также рассчитанный вектор индукции магнитного поля

дают дополнительную информацию о тонкой структуре развития плазменных

процессов в динамике, что дает возможность установить причинно-

следственные связи параметров обработки материалов энергией взрыва и

свойств материала после обработки.

Целью данной работы является выбор первичных преобразователей и

датчиков, разработка приборной базы, схемы регистрации, методики обра-

ботки экспериментальных данных и создание универсального измерительно-

вычислительного комплекса (ИВК) регистрации электромагнитного излуче-

ния в условиях динамического нагружения материалов.

Для достижения указанной цели решались следующие научно-

практические задачи:

- выбор первичных преобразователей и датчиков;

- разработка схем регистрации и синхронизации процесса запуска про-

граммы;

- разработка прибора регистрации и измерений электромагнитного из-

лучения, методики обработки экспериментальных данных

Высокоэнергетическая обработка материалов

139

В основу технологического контроля за развитием взрыва при динами-

ческой обработке материалов энергией взрыва положено измерение состав-

ляющих индукции магнитного поля вблизи эпицентра взрыва комплектом

миниатюрных датчиков Холла, расположенных в вершине куба по трем вза-

имно перпендикулярным плоскостям. Комплект датчиков Холла (3 шт.) для

измерения компонент индукции магнитного поля Bx, By, Bz выполнен во

взрывозащитном исполнении (в немагнитном герметичном микрокорпусе).

По защищенности от воздействия окружающей среды он имеет обыкновен-

ное исполнение по ГОСТ 12997-84. Как показали предварительные испыта-

ния, в качестве первичных чувствительных элементов наиболее целесообраз-

но использовать миниатюрные преобразователи Холла. Их выбор обусловлен

как диапазоном индукции магнитных полей, возникающих при взрыве на

расстоянии 10 см от

эпицентра взрыва взрывчатки массой 100-200 г в троти-

ловым эквиваленте, который составляет до 80 мТл в пике, так и широкими

возможностями регистрации процессов в динамике. Результат измерения по-

казан на рис. 1.

Небольшое входное электросопротивление (менее 8 Ом) и высокая

магнитная чувствительность преобразователей Холла из n – InSb –I – GaAs,

разработанных и выпускаемых в ИФТТ П НАН Б в

сочетании с миниатюрно-

стью (магниточувствительная область 0,1х0,1х0,003 мм и размер кристалла

0,5х0,5х0,3 мм) позволяют исключить помехи (отсутствуют катушки) и обес-

печить необходимую точность измерений в микросекундном диапазоне ин-

тервалов времен. В комплекте датчиков Холла применены миниатюрные вы-

сокостабильные первичные магниточувствительные элементы Холла, кото-

рые выбирались (разбраковывались) из партии

с близкими характеристиками

по магнитной чувствительности, разброс которой не превышал ±1%. Вынос-

ная коробка с усилителями и блоками питания выполнена при климатиче-

ском исполнении по группе С3 по ГОСТ 12997-84, но для работы при темпе-

ратуре от –30 до +45°С и относительной влажности до 98% при 35°С.

Электрические сигналы по каждому из каналов X,Y,Z подаются

соот-

ветственно на первый и второй каскады соответствующего широкополосного

усилителя. Далее сигналы с выхода усилителя каналов X,Y,Z подаются на

входы плат АЦП системного блока компьютера. По устойчивости к воздей-

ствию атмосферного давления комплекс соответствует группе Р1, в соответ-

ствии с ГОСТ 12997-84.

Высокоэнергетическая обработка материалов

140

U, в

t, мкс

Рис. 1. Вид дисплея компьютера с зарегистрированным сигналом при

обработке стали 45 потоком частиц порошка, ускоренных взрывом (заряд

аммонита 200 г)

Предлагаемый измерительно-вычислительный магнитометрический

комплекс, предназначен для измерения и визуализации на экране дисплея

компьютера трехмерных составляющих вектора индукции магнитного поля в

зависимости от времени в режиме in situ, а также дальнейшей математиче-

ской обработки

полученной информации, например, с помощью широко рас-

пространенной программы MathCAD. Диапазон регистрируемых квазистати-

ческих и динамических магнитных полей 0,01 мТл – 2 Тл. (Диапазон выби-

рался из условий регистрации магнитных полей при взрыве взрывчатки, мас-

сой до 2 кг.) Следует отметить, что под другие задачи этот диапазон легко

может быть, как на порядок расширен, так

и на порядок сужен.

Предлагаемый измерительно-вычислительный магнитометрический

комплекс, предназначен для измерения и визуализации на экране дисплея