cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2018-2-34-42cvmet-746Research ArticleЛитейное производствоFoundryВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВОВMAGNETIC FIELD INFLUENCE ON THE CRYSTALLIZATION OF ALUMINIUM MELTSВдовинК. Н.VdovinK. N.

докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой

кафедра технологии металлургии и литейных процессов 

455000, г. Магнитогорск, пр-т Ленина, 38

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of the technology of metallurgy and casting processes

455000, Russia, Magnitogorsk, Lenina av., 38

kn.vdovin@gmail.comДубскийГ. А.DubskiG. A.

канд. физ.-мат. наук, доцент

кафедра физики 

Cand. Sci. (Phуs.-Math.), Associate prof., Department of physics

ЕгороваЛ. Г.EgorovaL. G.

канд. техн. наук, доцент

кафедра вычислительной техники и прикладной математики

Cand. Sci. (Tech.), Associate prof., Department of computer science and applied mathematics

egorov-lyudmil@yandex.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. НосоваРоссияNosov Magnitogorsk State Technical University (MSTU)Russian Federation201818042018023442Copyright © Вдовин К.Н., Дубский Г.А., Егорова Л.Г., 20182018Вдовин К.Н., Дубский Г.А., Егорова Л.Г.Vdovin K.N., Dubski G.A., Egorova L.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/746

Для сознательного управления процессом кристаллизации металлов с целью получения заданной микроструктуры слитка используют различные физические поля, которые при воздействии на расплав изменяют его внутреннее состояние, а значит, и кинетику кристаллизации. В работе описаны термодинамика и кинетика процесса кристаллизации алюминия при обработке расплава магнитным полем. Создана достаточно простая экспериментальная установка, позволяющая изучать процессы воздействия магнитного поля на расплавы алюминия или других металлов и сплавов. Она состоит из нескольких основных узлов: (1) электропечи; (2) водоохлаждаемого медного кристаллизатора, совмещенного с электро- магнитной катушкой; (3) механического устройства для быстрого перемещения тигля с расплавом алюминия; (4) системы контроля и управления температурой расплава; (5) электронной части для записи и обработки информации. Экспериментально установлено, что магнитное поле изменяет температуру фазового равновесия расплав–кристалл, скрытую теплоту фазового перехода и температуру переохлаждения расплава при кристаллизации. Показано, что изменение этих параметров приводит к уменьшению радиуса критических зародышей и увеличению скорости их зарождения. Получены температурно-временные зависимости процесса кристаллизации. Выявлено, что при обработке расплава алюминия магнитным полем время кристаллизации уменьшается. Анализ алюминиевых образцов, полученных под воздействием магнитного поля, показал, что их структура имеет более мелкие зерна, чем у образцов, не подверженных такой обработке.

Conscious management of metal crystallization processes in order to obtain a defined ingot microstructure is provided by using various physical fields. These fields affect the melt and change its internal state, and therefore its crystallization kinetics. The paper describes the thermodynamics and kinetics of aluminum crystallization when the melt is treated with magnetic field. A quite simple experimental setup is created to allow studying the magnetic field effect on molten aluminum or other metals and alloys. It consists of several main components: (1) electrical furnace; (2) water-cooled copper crucible combined with an electromagnetic coil; (3) mechanical device for rapid movement of the aluminum melt crucible; (4) system for melt temperature monitoring and control and (5) electronics for data recording and processing. It is experimentally proved that magnetic field changes the melt-crystal phase equilibrium temperature, latent heat of phase transition and temperature of melt supercooling at crystallization. It is shown that changes in these parameters reduce the radius of critical nuclei and increases the speed of their origin. Temperature-time relationship are obtained for the crystallization process. It is experimentally proved that aluminum melt treatment with magnetic field reduces the time of crystallization. The analysis of aluminum samples obtained under the influence of magnetic field has shown that their structure has more fine grains compared with untreated samples.

магнитное полеалюминийкристаллизацияпереохлаждениефазовый переходтемпература фазового равновесияmagnetic fieldaluminumcrystallizationsupercoolingphase transitionphase equilibrium temperatureReferencesДибров И.А. Состояние и перспективы развития производства отливок из алюминиевых сплавов в России. Литейщик Роcсии. 2007. No. 5. С. 28—29; Dibrov I.A. Sostoyanie i perspektivy razvitiya proizvodstva otlivok iz alyuminievykh splavov v Rossii [The state and prospects of development of production of castings of aluminum alloys in Russia]. Liteishchik Rossii. 2007. No. 5. Р. 28—29.Дибров И.А. Состояние и перспективы развития производства отливок из алюминиевых сплавов в России. Литейщик Роcсии. 2007. No. 5. С. 28—29; Dibrov I.A. Sostoyanie i perspektivy razvitiya proizvodstva otlivok iz alyuminievykh splavov v Rossii [The state and prospects of development of production of castings of aluminum alloys in Russia]. Liteishchik Rossii. 2007. No. 5. Р. 28—29.Ren-Guo Guan, Tie D. A review on grain refinement of aluminum alloys: progresses, challenges and prospects. Acta Metall. Sinica. 2017. Vol. 30(5). P. 409—432. 3. Deev V.B., Selyanin I.F., Kutsenko A.I., Belov N.A., Ponomareva K.V. Promising resource saving technology for processing melts during production of cast aluminum alloys. Metallurgist. 2015. Vol. 58. No. 11-12. P. 1123—1127.Ren-Guo Guan, Tie D. A review on grain refinement of aluminum alloys: progresses, challenges and prospects. Acta Metall. Sinica. 2017. Vol. 30(5). P. 409—432. 3. Deev V.B., Selyanin I.F., Kutsenko A.I., Belov N.A., Ponomareva K.V. Promising resource saving technology for processing melts during production of cast aluminum alloys. Metallurgist. 2015. Vol. 58. No. 11-12. P. 1123—1127.Мочалов П.П., Гецелев З.Н. Литье в электромагнитные кристаллизаторы. Цвет. металлы. 1970. No. 8. С. 62— 63; Mochalov P.P., Getselev Z.N. Lit’e v elektromagnitnye kristallizatory [Casting in electromagnetic mold]. Tsvet. metally. 1970. No. 8. P. 62—63.Мочалов П.П., Гецелев З.Н. Литье в электромагнитные кристаллизаторы. Цвет. металлы. 1970. No. 8. С. 62— 63; Mochalov P.P., Getselev Z.N. Lit’e v elektromagnitnye kristallizatory [Casting in electromagnetic mold]. Tsvet. metally. 1970. No. 8. P. 62—63.Ordóñez S., Bustos O., Colás R. Термический и микроструктурный анализ алюминиевого сплава А356, затвердевшего под действием магнитного перемешивания. Междунар. журн. по металлообработке. 2009. С. 189—197; Ordóñez S., Bustos O., Colás R. Termicheskii i mikrostrukturnyi analiz alyuminievogo splava A356, zatverdevshego pod deistviem magnitnogo peremeshivaniya [Thermal and microstructural analysis of aluminum alloy A356, solidified by magnetic stirring]. Mezhdunarodnyi zhurnal po metalloobrabotke. 2009. P. 189—197.Ordóñez S., Bustos O., Colás R. Термический и микроструктурный анализ алюминиевого сплава А356, затвердевшего под действием магнитного перемешивания. Междунар. журн. по металлообработке. 2009. С. 189—197; Ordóñez S., Bustos O., Colás R. Termicheskii i mikrostrukturnyi analiz alyuminievogo splava A356, zatverdevshego pod deistviem magnitnogo peremeshivaniya [Thermal and microstructural analysis of aluminum alloy A356, solidified by magnetic stirring]. Mezhdunarodnyi zhurnal po metalloobrabotke. 2009. P. 189—197.Deev V.B., Selyanin I.F., Tsetsorina S.A. Refining the cluster model of metallic melts. Steel Trans. 2008. Vol. 38. No. 8. P. 623, 624.Deev V.B., Selyanin I.F., Tsetsorina S.A. Refining the cluster model of metallic melts. Steel Trans. 2008. Vol. 38. No. 8. P. 623, 624.Селянин И.Ф., Деев В.Б., Белов Н.А., Приходько О.Г., Пономарева К.В. Физические модифицирующие воз- действия и их влияние на кристаллизацию литейных сплавов. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 3. С. 56—59; Selyanin I.F., Deev V.B., Belov N.A., Prikhodko O.G., Ponomareva K.V. Physical modifying effects and their influence on the crystallization of casting alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 4. P. 434—436.Селянин И.Ф., Деев В.Б., Белов Н.А., Приходько О.Г., Пономарева К.В. Физические модифицирующие воз- действия и их влияние на кристаллизацию литейных сплавов. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 3. С. 56—59; Selyanin I.F., Deev V.B., Belov N.A., Prikhodko O.G., Ponomareva K.V. Physical modifying effects and their influence on the crystallization of casting alloys. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 4. P. 434—436.Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии, 2004; Efimov V.A., El’darkhanov A.S. Tekhnologii sovremennoi metallurgii [Technologies of modern metallurgy]. Moscow: Novye tekhnologii, 2004.Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии, 2004; Efimov V.A., El’darkhanov A.S. Tekhnologii sovremennoi metallurgii [Technologies of modern metallurgy]. Moscow: Novye tekhnologii, 2004.Заббаров Р., Бибиков А.М., Живодеров В.М. Структурные изменения и свойства алюминиевых сплавов, обработанных магнитным полем. Металлургия машиностроения. 2009. No. 6. С. 25—27; Zabbarov R., Bibikov A.M., Zhivoderov V.M. Strukturnye izmeneniya i svoistva alyuminievykh splavov, obrabotannykh magnitnym polem [Structural changes and properties of aluminium alloys processed by magnetic field]. Metallurgiya mashinostroeniya. 2009. No. 6. P. 25—27.Заббаров Р., Бибиков А.М., Живодеров В.М. Структурные изменения и свойства алюминиевых сплавов, обработанных магнитным полем. Металлургия машиностроения. 2009. No. 6. С. 25—27; Zabbarov R., Bibikov A.M., Zhivoderov V.M. Strukturnye izmeneniya i svoistva alyuminievykh splavov, obrabotannykh magnitnym polem [Structural changes and properties of aluminium alloys processed by magnetic field]. Metallurgiya mashinostroeniya. 2009. No. 6. P. 25—27.Никитин К.В., Амосов Е.А., Никитин В.И., Глущенков В.А., Черников Д.Г. Теоретическое и экспериментальное обоснование обработки расплавов на основе алюминия импульсными магнитными полями. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 5. С. 11—19; Nikitin K.V., Amosov E.A., Nikitin V I., Glushchenkov V.A., Chernikov D.G. Theoretical and experimental substantiation of treatment of aluminum-based melts by pulsed magnetic fields. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 6. P. 599—605.Никитин К.В., Амосов Е.А., Никитин В.И., Глущенков В.А., Черников Д.Г. Теоретическое и экспериментальное обоснование обработки расплавов на основе алюминия импульсными магнитными полями. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 5. С. 11—19; Nikitin K.V., Amosov E.A., Nikitin V I., Glushchenkov V.A., Chernikov D.G. Theoretical and experimental substantiation of treatment of aluminum-based melts by pulsed magnetic fields. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 6. P. 599—605.Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., Глущенков В.А., Черников Д.Г. Обработка расплавов магнитно-импульсными полями с целью управления структурой и свойствами промышленных силуминов. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. No. 2. С. 34— 42; Nikitin K.V., Nikitin V.I., Timoshkin I.Yu., Glushchenkov V.A., Chernikov D.G. Melt treatment by pulsed magnetic fields aimed at controlling the structure and properties of industrial silumins. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2016. Vol. 57. No. 3. P. 202—210.Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., Глущенков В.А., Черников Д.Г. Обработка расплавов магнитно-импульсными полями с целью управления структурой и свойствами промышленных силуминов. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. No. 2. С. 34— 42; Nikitin K.V., Nikitin V.I., Timoshkin I.Yu., Glushchenkov V.A., Chernikov D.G. Melt treatment by pulsed magnetic fields aimed at controlling the structure and properties of industrial silumins. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2016. Vol. 57. No. 3. P. 202—210.Тимошкин И.Ю., Никитин К.В., Никитин В.И., Деев В.Б. Влияние обработки расплавов электромагнитными акустическими полями на структуру и свойства сплавов системы Al—Si. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. No. 3. С. 28—33; Timoshkin I.Y., Nikitin K.V., Nikitin V.I., Deev V.B. Influence of treatment of melts by electromagnetic acoustic fields on the structure and properties of alloys of the Al—Si system. Russ. J. NonFerr. Met. 2016. Vol. 57. No. 4. P. 419—423.Тимошкин И.Ю., Никитин К.В., Никитин В.И., Деев В.Б. Влияние обработки расплавов электромагнитными акустическими полями на структуру и свойства сплавов системы Al—Si. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. No. 3. С. 28—33; Timoshkin I.Y., Nikitin K.V., Nikitin V.I., Deev V.B. Influence of treatment of melts by electromagnetic acoustic fields on the structure and properties of alloys of the Al—Si system. Russ. J. NonFerr. Met. 2016. Vol. 57. No. 4. P. 419—423.Ри Э.Х., Дорофеев С.В., Якимов В.И. Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами на ее строение, процессы кристаллизации, структурообразования и свойства литейных сплавов. Владивосток: Дальнаука, 2008; Ri E.Kh., Dorofeev S.V., Yakimov V.I. Vliyanie oblucheniya zhidkoi fazy nanosekundnymi elektromagnitnymi impul’sami na ee stroenie, protsessy kristallizatsii, strukturoobrazovaniya i svoistva liteinykh splavov [Effect of irradiation of the liquid phase by nanosecond electromagnetic pulses on its structure, crystallization, structure and properties of casting alloys]. Vladivostok: Dal’nauka, 2008.Ри Э.Х., Дорофеев С.В., Якимов В.И. Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами на ее строение, процессы кристаллизации, структурообразования и свойства литейных сплавов. Владивосток: Дальнаука, 2008; Ri E.Kh., Dorofeev S.V., Yakimov V.I. Vliyanie oblucheniya zhidkoi fazy nanosekundnymi elektromagnitnymi impul’sami na ee stroenie, protsessy kristallizatsii, strukturoobrazovaniya i svoistva liteinykh splavov [Effect of irradiation of the liquid phase by nanosecond electromagnetic pulses on its structure, crystallization, structure and properties of casting alloys]. Vladivostok: Dal’nauka, 2008.Микельсон А.Э., Фолифоров В.М. МГД-методы и устройства в промышленности. Магнитная гидродинамика. 1975. No. 1. С. 129—140; Mikel’son A.E., Foliforov V.M. MGD-metody i ustroistva v promyshlennosti. [MHD-methods and devices in the industry]. Magnitnaya gidrodinamika. 1975. No. 1. P. 129—140.Микельсон А.Э., Фолифоров В.М. МГД-методы и устройства в промышленности. Магнитная гидродинамика. 1975. No. 1. С. 129—140; Mikel’son A.E., Foliforov V.M. MGD-metody i ustroistva v promyshlennosti. [MHD-methods and devices in the industry]. Magnitnaya gidrodinamika. 1975. No. 1. P. 129—140.Александров Л.Н. Кинетика образования структуры твердых слоев. Новосибирск: Наука, 1972; Aleksandrov L.N. Kinetika obrazovaniya struktury tverdykh sloev [Kinetics of the formation of the structure of solid layers]. Novosibirsk: Nauka, 1972.Александров Л.Н. Кинетика образования структуры твердых слоев. Новосибирск: Наука, 1972; Aleksandrov L.N. Kinetika obrazovaniya struktury tverdykh sloev [Kinetics of the formation of the structure of solid layers]. Novosibirsk: Nauka, 1972.Propescu M., Vagra B. Microstructure of aluminum alloys solidified by rotating electric field. Mater. Mech. 2015. No. 10. P. 44—48.Propescu M., Vagra B. Microstructure of aluminum alloys solidified by rotating electric field. Mater. Mech. 2015. No. 10. P. 44—48.Zhang Y., Cheng X., Zhong H., Xu Z. , Li L., Gong Y., Miao X., Changjiang, Song C., Zhai Q. Comparative study on the grain refinement of Al—Si alloy solidified under the impact of pulsed electric current and travelling magnetic field. Metals. 2016. Vol. 6. P. 170.Zhang Y., Cheng X., Zhong H., Xu Z. , Li L., Gong Y., Miao X., Changjiang, Song C., Zhai Q. Comparative study on the grain refinement of Al—Si alloy solidified under the impact of pulsed electric current and travelling magnetic field. Metals. 2016. Vol. 6. P. 170.Hongsheng D., Yong Z., Sanyong J., Ruirun C., Zhilong Z., Jingjie G., Daming X., Hengzhi F. Infl uences of pulse electric current treatment on solidifi cation microstructures and mechanical properties of Al—Si piston alloys. China Foundry. 2008. Vol. 6. No. 1. P. 24—31.Hongsheng D., Yong Z., Sanyong J., Ruirun C., Zhilong Z., Jingjie G., Daming X., Hengzhi F. Infl uences of pulse electric current treatment on solidifi cation microstructures and mechanical properties of Al—Si piston alloys. China Foundry. 2008. Vol. 6. No. 1. P. 24—31.Bustos O., Ordoñez S., Colás R. Rheological and microstructural study of A356 alloy solidified under magnetic stirring. Int. J. Metalcasting. 2013. Vol. 7. No. 1. P. 29—37.Bustos O., Ordoñez S., Colás R. Rheological and microstructural study of A356 alloy solidified under magnetic stirring. Int. J. Metalcasting. 2013. Vol. 7. No. 1. P. 29—37.Wang X., Luo X., Cong F., Cui J. Research progress of microstructure control for aluminium solidification process. Chinese Sci. Bull. 2013. Vol. 58. No. 4-5. P. 468— 473.Wang X., Luo X., Cong F., Cui J. Research progress of microstructure control for aluminium solidification process. Chinese Sci. Bull. 2013. Vol. 58. No. 4-5. P. 468— 473.Wang, X., Sun, G., Wang, L., Ma Q., Cui J. A new approach for preparing SiC particle-reinforced aluminum matrix composites by applying electromagnetic field. J. Wuhan Univ. of Technology (Mater. Sci.). 2016. Vol. 31. No. 4. P. 717—721.Wang, X., Sun, G., Wang, L., Ma Q., Cui J. A new approach for preparing SiC particle-reinforced aluminum matrix composites by applying electromagnetic field. J. Wuhan Univ. of Technology (Mater. Sci.). 2016. Vol. 31. No. 4. P. 717—721.Zhang Y., Zuo T.T., Tang Z., Gao C.M., Dahmen K.A., Peter K., Lu Z.P. Effect of electromagnetic field on microstructure and properties of bulk AlCrFeNiMo0,2 high-entropy alloy. J. Mater. Eng. Perform. 2015. Vol. 4. No. 11. P. 4475—4481.Zhang Y., Zuo T.T., Tang Z., Gao C.M., Dahmen K.A., Peter K., Lu Z.P. Effect of electromagnetic field on microstructure and properties of bulk AlCrFeNiMo0,2 high-entropy alloy. J. Mater. Eng. Perform. 2015. Vol. 4. No. 11. P. 4475—4481.Jie J.C., Zou Q.C., Sun J.L., Lu Y.P., Wang T.M., Li T.J. Separation mechanism of the primary si phase from the hypereutectic Al—Si alloy using a rotating magnetic field during solidification. Acta Mater. 2014. Vol. 72. P. 57—66.Jie J.C., Zou Q.C., Sun J.L., Lu Y.P., Wang T.M., Li T.J. Separation mechanism of the primary si phase from the hypereutectic Al—Si alloy using a rotating magnetic field during solidification. Acta Mater. 2014. Vol. 72. P. 57—66.Haghayeghi R., de Paula L.C., Zoqui E.J. Comparison of Si refinement efficiency of electromagnetic stirring and ultrasonic treatment for a hypereutectic Al—Si alloy. J. Mater. Eng. Perform. 2017. Vol. 26. No. 4. P. 1900—1907.Haghayeghi R., de Paula L.C., Zoqui E.J. Comparison of Si refinement efficiency of electromagnetic stirring and ultrasonic treatment for a hypereutectic Al—Si alloy. J. Mater. Eng. Perform. 2017. Vol. 26. No. 4. P. 1900—1907.Ünal N., Çamurlu H.E., Koçak S., Düztepe G. Effect of external ultrasonic treatment on hypereutectic cast aluminium—silicon alloy. Int. J. Cast Met. Res. 2013. Vol. 25. No. 4. P. 246—250.Ünal N., Çamurlu H.E., Koçak S., Düztepe G. Effect of external ultrasonic treatment on hypereutectic cast aluminium—silicon alloy. Int. J. Cast Met. Res. 2013. Vol. 25. No. 4. P. 246—250.Ünal N., Çamurlu H.E., Koçak S., Düztepe G. Effect of external ultrasonic treatment on hypereutectic cast aluminium—silicon alloy. J. Mater. Res. Technol. 2013. Vol. 2. No. 2. P. 100—109.Ünal N., Çamurlu H.E., Koçak S., Düztepe G. Effect of external ultrasonic treatment on hypereutectic cast aluminium—silicon alloy. J. Mater. Res. Technol. 2013. Vol. 2. No. 2. P. 100—109.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.