УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОНОВОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕСС ТВЕРДЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО МАТЕРИАЛА

Устройство для фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минерального вяжущего материала
Полезная модель относится к прикладной физике и химии и может быть использована для управления процессом твердения минеральных вяжущих материалов (МВМ) в производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций, заливочных смесей для установки машин и аппаратов, а также при изготовлении изделий из гипса, включая повязки медицинского назначения.
К минеральным вяжущим материалам (МВМ) относятся порошкообразные продукты, образующие при смешивании с водой пластичную массу, затвердевающую в прочное камневидное тело: известь, гипс, цемент и др. (Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. - М.: Высш.шк, 1989. - С.6).
Конструкции на основе МВМ получают формованием целевого изделия и его последующим твердением в естественных условиях.
Процесс твердения МВМ включает следующие стадии:
1) гидратацию (химическая реакция между вяжущим материалом и водой);
2) коллоидацию (топохимическая реакция образования гидратов коллоидных размеров);
3) кристаллизацию.
Прочность целевого изделия зависит главным образом от скорости образования кристаллов и межкристаллических контактов (там же, с. 340), а длительность твердения - от конкретного состава минерального вяжущего материала и температуры окружающей среды (Справочник по производству сборных железобетонных изделий/ Под ред. К.В. Михайлова и А.А. Фоломеева. -М.: Стройиздат, 1982. - С.214-215).
С целью уменьшения длительности получения целевого продукта процесс твердения активируют путем нагрева формуемого материала под действием насыщенного водяного пара, горячего воздуха или паровоздушной смеси, а также с помощью электрического обогрева при программном управлении температурой и влажностью под контролем прочности твердеющего материала. По достижении требуемой прочности (не менее 50% от проектной) изделие отпускают потребителю (там же, с. 214-228; 255; Руководство по тепловой обработке бетонных и железобетонных изделий. - М.: 1974, ГОСТ 18105.0-80 "Бетоны…"; Р-54-74 - Рекомендации по назначению отпускной прочности бетона железобетонных и бетонных изделий; WO 9722763 A1, PCT/US 96/19601, Ε 04 В 1/16, 1997).
Другое направление развития способов управления твердением МВМ заключается в активировании структурообразования целевого продукта на стадии гидратации путем регулирования удельной поверхности МВМ, например, с помощью ударно-истирающего аппарата (Фосфогипс и его использование/ В.В. Иваницкий, П.В. Классен, А.А. Новиков и др. - М.: Химия, 1990. - С.206-207).
Третье направление предусматривает воздействие на верхний слой твердеющего МВМ виброкатком с частотой вибрации 10-200 Гц. В частности, при таком уплотнении бетонной плиты достигаются максимальная плотность и равномерное распределение крупного заполнителя (щебня) по всей толщине плиты (US 5643509 А, Ε 04 В 1/16, 1997; US 5709824, Ε 04 В 1/16, 1998).
Известно также активирование твердения МВМ на стадии кристаллизации путем внесения катализатора твердения (SU 1189830, 1985) или кристаллической затравки. Например, для управления процессом твердения изделий из цемента в качестве кристаллической затравки используют безводный сульфоалюминат кальция, белитоалюминатный шлам и др. (Кузнецова Т.В. и др. Указанная работа с. 356).
Кроме того, известен способ управления процессом твердения МВМ, предусматривающий активирование образования кристаллов с помощью электромагнитного поля, создаваемого током промышленной частоты 50 Гц при мощности излучателя 60 кВт. Данный способ применим только к управлению процессом твердения изделий из МВМ, дополнительно содержащего ферромагнитную арматуру или заключенного в ферромагнитную опалубку (например, для железобетонных изделий), поскольку ферромагнитные арматура и опалубка под воздействием указанного электромагнитного поля нагреваются за счет перемагничивания и вихревых токов. Температурным режимом управляют изменением напряженности магнитного поля. Это позволяет ускорить процесс твердения в 2,5 раза по сравнению с другими аналогами (Романовский С.Г. Процессы термической обработки и сушки в электромагнитных установках. -Минск: Наука и техника, 1969. - С.280-281).
Однако длительность твердения целевого изделия остается значительной. Кроме того, известный способ управления процессом твердения МВМ принципиально неприемлем для управления твердением изделий из МВМ, в конструкции которых не содержатся ферромагнитные элементы.
3
Наиболее близким к заявленному, является способ управления процессом твердения МВМ, предусматривающий активирование образования в твердеющем МВМ кристаллов с помощью электромагнитного излучения (ЭМИ) (RU 2163583 А, С04 В40/02, С04 В40/00, 2001). Для обеспечения управляемости процессом твердения по критерию быстродействия на твердеющий МВМ воздействуют ЭМИ с частотой от 0,5 до 15 МГц на стадиях тепловлажностной обработки и естественного твердения. Длительность твердения регулируют изменением частоты ЭМИ. Для осуществления способа используют источник ЭМИ мощностью от 0,3 до 20 Вт/м.
Однако в прототипе не раскрыты конструктивные особенности устройства для фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минерального вяжущего материала, а также не раскрыты способы его подключения на предприятиях ЖБИ и строительных площадках, с помощью которых сокращается длительность процесса твердения МВМ не менее чем в 2 раза, а также повышается качество конечного продукта.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение качества получаемых минеральных вяжущих материалов при одновременном сокращении длительности твердения минеральных вяжущих материалов не менее чем в 2 раза, за счет особого подключения к ним устройства фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минерального вяжущего материала, состоит из генератора импульсов тока с амплитудой не более 1,5 А и полной электрической колебательной мощностью не более 15 ВА, петли антенны-медиатора, и пары выходных клемм для подключения петли антенны-медиатора, причем петля антенны-медиатора выполнена в виде одножильного провода в твердой изоляции, диаметром не более 2 мм, и длиной не более 3 м, и, которая гальванически замыкает выход генератора импульсов тока на его корпус, представляя, таким образом, короткозамкнутую петлю магнитного диполя, при этом петля антенны-медиатора выполнена с возможностью введения в механический контакт с минеральным вяжущим материалом; или выполнена с возможностью разрыва и введения в разрыв электропроводного элемента конструкции с возможностью влияния на минеральный вяжущий материал, или петля антенны-медиатора выполнена с возможностью жесткого механического соединения с монолитным акустическим проводником - волноводом, изготовленным из металла, керамики, из плотного органического полимера или органоминерального композита.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 представлена схема устройства (представлено устройство) для фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минерального вяжущего материала.
На фиг. 2 приведены РЭМ-фотограммы структуры серого чугуна, затвердевшего в кокиле: спонтанно (а) и в режиме фонового ультразвукового воздействия - 8000 кГц (б).
На фиг. 3 приведены РЭМ-фотограммы (×1000) светлых зон молибденовой ликвации в сплавах КХС (а, в) и НХС (б, г), затвердевшего спонтанно (а, б) и в режимах фонового ультразвукового воздействия (в - 900 кГц, г - 500 кГц).
На фиг. 4 приведено распределение молибденовой фазы (Р, %) по размерам (D, мкм) для сплавов КХС (а, в) и НХС (б, г), затвердевших спонтанно (а, б) и в режимах фонового ультразвукового воздействия (в - 900 кГц, г - 500 кГц).
На фиг. 5 приведены вариации микротвердости (Виккерс) для сплавов КХС и НХС, прошедших процесс твердения в режиме фонового ультразвукового воздействия на разных частотах импульсов тока.
На фиг. 6 приведена структура циркониевой бронзы, прошедшей процесс твердения в различных режимах (×120).
На фиг. 7 приведена зависимость микротвердости (Виккерс) циркониевой бронзы от частоты импульсов тока при фоновом ультразвуковом воздействии на процесс твердения расплава.
На фиг. 8 приведены сопловые секции газовой турбины (турбинные лопатки), отлитые из сплава ЖС6УВИ в штатном режиме (а) и режиме фонового ультразвукового воздействия - 1000 кГц (б).
На фиг. 9 приведено распределение микротвердости по оси стержня в области сварного шва после режима фонового ультразвукового воздействия сварки.
На фиг. 10 приведено распределение микротвердости на границе "основанной металл сварочная ванна"  - фоновое ультразвуковое воздействие 270 кГц, О-штатный режим сварки.
На фиг. 11 приведены фигуры травления сварных швов изделий из Стали 5 (сварка встык), полученных при дуговой электросварке переменным током со стандартным электродом в штатном (а) и фоновом ультразвуковом -270 кГц (б) режимах.
На фиг. 12 приведена анизотропия микротвердости цинкового поликристаллического цилиндра: HI - микротвердость, измеренная вводом индентора перпендикулярно плоскости основания цилиндра, Н2 микротвердость, измеренная вводом индентора параллельно плоскости основания цилиндра; по оси абсцисс - частота импульсов тока фонового ультразвукового воздействия на твердение цинка.
На фиг. 13 приведена зависимость микротвердости сплава АК10М2Н от частоты импульсов тока фонового ультразвукового воздействия на твердение.
На фиг. 14 приведен структурный анализ больших отливок из сплава АМц, полученных в штатном технологическом режиме (данные ЦЗЛ завода ООО "Альфа-Люм", г. Самара).
На фиг. 15 приведен структурный анализ больших отливок из сплава АМц, полученных в режиме фонового ультразвукового воздействия (1000 кГц) на процесс твердения (данные ЦЗЛ завода ООО "Альфа-Люм", г. Самара).
На фиг. 16 приведена структура сплава ЦА4М1, прошедшего спонтанное (слева) и фоновое ультразвуковое - 250 кГц - твердение (справа).
На фиг. 17 приведены РЭМ-фотограммы сколов чистого свинца, затвердевшего в тигле спонтанно (а, б) и при различных частотах импульсов тока режима фонового ультразвукового воздействия (в-е).
На фиг. 18 приведены РЭМ-фотограммы сколов чистого свинца, затвердевшего в тигле при различных частотах импульсов тока режима фонового ультразвукового воздействия (а-з).
На фиг. 19 приведена зависимость среднего размера поликристаллических зерен свинца от частоты импульсов тока режима фонового ультразвукового воздействия при твердении металла (фиг. 17, 18).
На фиг. 20 приведены сравнительные РЭМ-фотограммы шлифов сплава Sn-Bi-Pb-Sb, затвердевшего в тигле: а - спонтанно, 6 - в режиме фонового ультразвукового воздействия 200 кГц.
На фиг. 21 приведена подача сигнала фонового ультразвукового воздействия в кристаллизатор с оловом и свинцом.
На фиг. 22 приведены хронотермометрические кривые естественного (вверху) и фонового ультразвукового (внизу) охлаждения олова (слева) и свинца (справа) на частоте импульсов тока 215 кГц (ордината горизонтального участка - температура плавления металла).
На фиг. 23 приведено сокращение времени твердения белого олова "чда" ГОСТ 860-75 (пруток) (вверху) и свинца "чда" ГОСТ 9559-89 (гранулы) (внизу) в режиме фонового ультразвукового воздействия (цикл 2) по сравнению со спонтанным (цикл 1) и эффект фазово-переходной памяти при повторных процессах с теми же образцами сплавов, но без фонового ультразвукового воздействия - спонтанно (циклы 3-6).
На фиг. 24 приведена воспроизводимость времени твердения аккумуляторного сплава СКА7 в спонтанном режиме (а), его сокращение (б) в режиме фонового ультразвукового воздействия (цикл 1) и эффект фазово-переходной памяти при повторных процессах с тем же образцом сплава, но без фонового ультразвукового воздействия - спонтанно (циклы 2-7).
Схемотехнически и аппаратурно генератор импульсов тока устроен достаточно просто, что и является одной из причин популярности метода у производственников. Генератор импульсов тока с полной электрической колебательной мощностью не более 15 ВА - это небольшой бокс с регуляторами, иногда с частотомером и с парой выходных клемм для подключения петли антенны-медиатора (фиг. 1).
Интересным может показаться устройство ввода сигналов импульсов тока в систему влияния. Это устройство или антенна-медиатор представляет собой обыкновенный одножильный провод, обычно медный, диаметром не более 2 мм, в твердой (фторопласт) изоляции от внешних нежелательных гальванических и химических контактов. Длина провода не превосходит 3 м, и он накоротко (гальванически) замыкает выход генератора импульсов тока на корпус, представляя, таким образом, короткозамкнутую петлю магнитного диполя. Для стендовых (лабораторных) испытаний к "телу" петли может жестко крепиться один, либо несколько зажимов "крокодил". При необходимости петля может быть заменена отрезком тугоплавкого или химически более стойкого металла, а может быть представлена двумя проводящими фрагментами, замыкаемыми на внешний проводник (см. фиг. 1).
Генератор импульсов тока устанавливается вблизи технологической зоны регуляции минерального вяжущего материала, его корпус заземляется согласно принятым нормам. Генератор импульсов тока обеспечивается электропитанием от однофазной осветительной (силовой) сети 220 В. Далее возможны варианты:
1) петля антенны-медиатора выполнена с возможностью введения в механический контакт с минеральным вяжущим материалом (жидким, твердым, пастообразным); здесь важно обеспечить плотное механическое примыкание петли к зоне влияния с помощью зажима или иным способом;
2) петля антенны-медиатора выполнена с возможностью разрыва и введения в разрыв электропроводного элемента конструкции с возможностью влияния на минеральный вяжущий материал; это, например, может быть металлическая форма кристаллизатора, сварная ванна, арматурная сетка, корпус химического реактора и проч.;
3) петля антенны-медиатора выполнена с возможностью жесткого механического соединения с монолитным акустическим проводником -волноводом, изготовленным из металла, керамики или, при необходимости, из плотного органического полимера или органоминерального композита (фторопласт, поликарбонат, эпоксидный компаунд); при этом каких-либо особых требований к электромагнитным свойствам волновода не предъявляется;
4) петля антенны-медиатора может иметь любую технологически удобную форму, вплоть до бифилярного провода, что выгодно отличает режим работы устройства сниженным уровнем электромагнитных помех.
При эксплуатации важно обеспечить надежный гальванический контакт выхода генератора импульсов тока с проводом антенны-медиатора и механический контакт антенны-медиатора с минеральным вяжущим материалом. Замена петлевой антенны-медиатора (магнитный диполь) на стержневую (электрический диполь) не дает никакого регулятивного эффекта. Срыв регуляции наблюдается также при использовании в качестве посредника между петлей и минеральным вяжущим материалом с большим акустическим сопротивлением или рассеянием: газа, органического пено- или поропласта (пенополистирол, пенополиуретан и т.п.), древесины.
Соблюдение всех оговоренных условий - это необходимое, но еще не достаточное требование. Исследования показали, что сигнал генератора импульсов тока не должен представлять собой чистую биполярную гармонику. Наилучшие амплитудно-частотные показатели обеспечиваются при подаче в антенну-медиатор униполярных импульсов полигармонического тока варьируемой скважности. Причем амплитуда его на всех испытанных объектах (протяженностью от нескольких сантиметров до нескольких метров) не превышает 1,5 А, а колебательная мощность - 15 ВА.
После включения устройства для фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минерального вяжущего материала в технологическую схему никакого специального и квалифицированного надзора, кроме предусмотренного в ТУ самого производства не требуется. Заметим, что введение заявленного устройства в процесс - это операция, практически ничего масштабно не меняющая: аппаратура столь мала, что может быть "пристроена" в любом удобном месте. А уровень электромагнитных помех уже в 10 м от антенны-медиатора сопоставим с естественным фоном промышленного электрооборудования.
Заявленное устройство поясняется следующими примерами.
Кристаллизация чугуна. Серый чугун исследовали непосредственно в производственных условиях ОАО "Арсенал" (Санкт-Петербург). Чугун выплавлялся в индукционной печи, процесс твердения осуществляли в земляных формах, изготовленных в виде стержня (для последующих механических испытаний). Сигнал генератора импульсов тока подводили петлей антенны-медиатора из нихромовой проволоки диаметром 2 мм. Тактовая частота следования импульсов тока варьировалась от 100 до 8000 кГц. Для изучения эффекта фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения было осуществлено измерение микротвердости по Виккерсу. Чугун, процесс твердения которого осуществлялся методом фонового ультразвукового воздействия на частоте 8 МГц, имел твердость на 40% выше, чем стандартный или полученный при других значениях частоты импульсов тока. При испытаниях на изгиб этот образец выдержал на 30% большую нагрузку.
Тестовая разливка серого чугуна в клиновидные кокили с целью определения цементита, как известно, показывает распределение химического состава по длине клина ("цементит - перлит - мартенсит") и, как следствие, пространственную неоднородность механических и химических свойств отливки. Из-за быстрого охлаждения в тонкой части клина образуется сплошная карбидная фаза цементита (отбел). Включение кокиля в токовую петлю антенны-медиатора кардинально изменило ситуацию: выравнивание температур по всем сечениям клина и гомогенизацию структуры и состава. Образцы были подвергнуты металлографическому исследованию, результаты которых приведены на фиг. 2. Отчетливо видно, как крупные включения цементита (белая фаза в контрольном образце, фиг. 2а) диспергируют при фоновом ультразвуковом воздействии, образуя регулярную сетчатую структуру, которая свидетельствует об изменении характера теплообмена. При частоте импульсов тока, равной 8 МГц, длина отбела уменьшилась примерно в 2 раза, что позволяет сделать заключение об ускорении рекристаллизации цементита при сохранении всех параметров процесса (фиг.2б). Исследование микроструктуры проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-35CF (фирма "JEOL", Япония).
Кристаллизация высокотемпературных сплавов. Для исследования были взяты сплавы на основе хрома, молибдена и никеля (НХС - ТУ 14-134-302-92) и хрома, молибдена, кобальта (КХС - «Бюгодент» ISO 6871-87). Состав НХС, % масс: Ni: 62.8-64.8, Сг: 22-22.7, Мо: 10.3-12.5, Si: до 1.5, Fe: 0, Nb: до 1.3. Состав КХС, % масс: Со: 59.7-62.3, Сг.24.5-25.1, Мо: 5.3 8, Si: до 0.6, Fe: до 2.3, Nb: до 1.
Определение элементного состава образцов проводилось методом электронно-зондового микроанализа на рентгеновском микроанализаторе энергодисперсионного типа Link 860 (фирмы Link), который основан на сравнении характеристических рентгеновских спектров анализируемого образца и стандартов известного состава (погрешность микроанализа ~ 0.5 масс. %). Изображение фазовой структуры образцов (фиг. З) получено в отраженных электронах, сигнал которых формирует так называемый "z - контраст" и зависит от среднего атомного номера элемента, присутствующего на соответствующем участке образца. Таким образом, светлые участки на представленных фиг. 3, соответствуют повышенному содержанию молибдена в исследованных сплавах.
Выбор систем был обусловлен соизмеримыми содержаниями легирующих компонентов в сплавах на фоне матриц никеля и кобальта. Эти сплавы уникальны по химическим и механическим свойствам и применяются в машиностроении, стоматологии и других отраслях науки и техники.
Режим фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения и охлаждения сплавов до комнатной температуры осуществлялся пропусканием импульсов тока определенной частоты и формы униполярного меандра. При каждой частоте заливали 2-3 образца. Процессу твердения подвергали две серии образцов. В первой серии плавка систем осуществлялась кислородной горелкой в алундовых тиглях, температура расплава достигала 2000 K, твердение осуществлялось спонтанно в этом же тигле после прекращения нагрева. Подвод сигнала генератора импульсов тока осуществлялся с помощью петли антенны-медиатора с танталовыми электродами непосредственно в расплав. В этой серии исследовалось два режима мощности генератора импульсов тока фонового ультразвукового воздействия - 1.0 и 10.0 ВА: различия не обнаружены.
В другой серии исследований плавление осуществлялось в индукционной печи объемом 60 см3. Сплавы разливались в стальные изложницы объемом 2 см3, ввод сигнала генератора импульсов тока осуществлялся непосредственно к изложницам. Сплав НХС разливали при температуре 1750 K (температура кристаллизации « 1700 K), КХС - при 1800 K (температура кристаллизации к 1760 K). Принимались специальные мероприятия для создания идентичных условий режима охлаждения. Результаты те же.
Методом электронной сканирующей микроскопии была исследована структура сплавов. Изображение фазовой структуры образцов получено в отраженных электронах, сигнал которых зависит от среднего атомного номера соответствующего участка образца.
Полученные результаты влияния режима фонового ультразвукового воздействия на структуру твердой фазы обоих сплавов (КХС и НХС) показывают (фиг. 4, данные растровой электронной микроскопии (РЭМ)), что в отсутствие сигнала светлые области ликвации молибдена позиционно расположены беспорядочно, распределение этих областей по размерам практически соответствует нормальному (фиг. 4а, 4в). В режиме фонового ультразвукового воздействия распределение светлых областей по размерам становится ближе к прямоугольному (фиг. 4б, 4 г).
Исследование микротвердости сплавов КХС и НХС (Виккерс, ГГМТ-3) показывает (фиг. 5), что режим фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения также влияет на пластические свойства твердой фазы. В области низких частот (100-400 кГц) микротвердость уменьшается, при более высоких частотах (400-3000 кГц) - возрастает в сравнении с образцами, прошедшими спонтанный процесс твердения. Причем различия в значениях максимальной и минимальной твердости для НХС достигают трехкратного уровня, а для КХС -почти семикратного. Частоты выше 5-8 МГц не оказывают влияния на микротвердость сплавов. Таким образом, влияние сигнала и здесь носит резонансный характер. Используя вариации частотного режима фонового ультразвукового воздействия, можно получать образцы различной микротвердости из одного сплава. Для исследованных сплавов явление анизотропии по микротвердости не наблюдается (ср. с цинком).
Кристаллизация циркониевой бронзы. Мелкозернистая структура, уменьшение размеров и равномерное распределение зон ликвации, однородность механических свойств - далеко не полный перечень результатов фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минеральных вяжущих материалов. Фиг. 6 иллюстрирует модификацию структуры, а фиг.7 отражает зависимость микротвердости т.н. циркониевой бронзы от частоты импульсов тока фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения.
Целесообразно применение фонового ультразвукового воздействия в непрерывной разливке металлов и сплавов в виде изделий и заготовок, поскольку данный метод приводит к уменьшению зернистости, сохраняющейся при повторных переплавках в штатном режиме.
Высокоточное литье сопловых секций. На Моторостроительном заводе им. М.В. Фрунзе (г. Самара, 2007) были произведены опытные отливки сопловых секций газовых авиационных турбин в вакууме с применением метода фонового ультразвукового воздействия. Следует сказать, что производство этих наиболее ответственных элементов двигателей - весьма сложная, длительная и дорогая операция, причем дополнительная обработка изделия после высокоточного литья не допускается. Здесь предъявляются весьма жесткие требования по соответствию изделия всем металлографическим и механическим параметрам, и степень выбраковки очень высока.
На фиг. 8 приведены фотоснимки двух секций, отлитых в штатном и в режиме фонового ультразвукового воздействия (1000 кГц) в реальных условиях производства (вообще испытывались разные частоты униполярного меандра: 100, 200, 500, 1000 и 2000 кГц). Даже невооруженным взглядом можно выявить различия: режим фонового ультразвукового воздействия обеспечивает большую макроскопическую однородность структуры и подавление дендритообразования. Более детальный анализ показал преимущество режима фонового ультразвукового воздействия перед штатным. Исследования структурных и эксплуатационных параметров отливок в режиме фонового ультразвукового воздействия в настоящее время продолжаются.
Сварка стальных конструкций. Сварка металлов относится к категории наиболее быстрых, а потому неравновесных процессов плавления - кристаллизации зачастую разнородных веществ, что делает метод фонового ультразвукового воздействия применимым в этой технологической области. При сварке металлов обычно образуется зона значительного перегрева, где наряду с интенсивным окислением (если не применяются специальные меры защиты) остаются значительные механические напряжения. Метод фонового ультразвукового воздействия контактной сварки стальной сетки для армирования железобетонных изделий реализуется предельно просто. Сама машина для многорядной контактной сварки включается в петлю антенны-медиатора, и по факторам влияния подбирается частота, форма и надпороговая мощность импульсов тока. Фиг. 9, фиг. 10 иллюстрируют частотную зависимость различия микротвердости контрольного и фонового ультразвукового сварных соединений стальной арматуры: проволоки ВР-1 и стержней А-П. В процессе контактной сварки в режиме фонового ультразвукового воздействия визуально наблюдается значительное "размывание" зоны свечения с одновременным уменьшением его яркости, что свидетельствует о локальном снижении и "сносе" температуры в глубь металла.
На фиг. 11 показаны фигуры травления сварных швов изделий из стали 5 (сварка встык), полученных при дуговой электросварке переменным током со стандартным электродом. В контрольном образце (фиг. 11а) отчетливо обнаруживается наличие оксидов (белая периферия зоны сварки) и явная неоднородность соединения, чего нет в образце, полученном в режиме фонового ультразвукового воздействия (фиг. 11б). В производственных условиях ОАО "Металлоконструкция" (СПб) производилась электросварка стальных конструкций в защитной атмосфере углекислого газа. Металлографические и механические исследования характера сварного шва показали уменьшение зоны перегрева, резкое снижение напряжений в соединении при одновременном уменьшении размера зерен в сварочной ванне.
Кристаллизация и пластические свойства цинка.. Был исследован режим фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения цинка квалификации "ЧДА". Твердение образцов в обычных условиях и режиме фонового ультразвукового воздействия, проводилась в одной и той же графитовой изложнице. Время охлаждения варьировалось от 30 мин до 5 ч. Полученные образцы твердого цинка имели форму цилиндра, массой около 20 г. Образцы отливались из различных плавок, температура расплава перед разливкой была (870±5) К. Большинство образцов затвердевало в условиях комнатных температур, т.е., при быстром естественном охлаждении, некоторые же - при медленном остывании. Ввод сигнала импульсов тока осуществлялся с помощью медного провода, примыкающего к графитовой изложнице. В последнем случае сигнал импульсов тока подавался танталовой петлей антенны-медиатора в расплав цинка в графитовом тигле, находящемся в выключенной электропечи до полного ее остывания (в течение 5 ч).
Кристаллизация проводилась при 15 режимах фонового ультразвукового воздействия в диапазоне от 0 до 8,3 МГц - трижды, а при частотах 180 кГц и 3,2 МГц - 5 раз, каждый раз отливалось 4 таблетки.
Результаты измерений микротвердости представлены на фиг.12. Особенностью данного испытания было исследование пластической поверхностной анизотропии поликристаллического цинкового цилиндра (таблетки), поскольку условия теплоотвода от его обечайки, верхнего и нижнего оснований различались.
Из графиков, представленных на фиг. 12 следует, что образцы цинка, полученные при фоновом ультразвуковом воздействии на процесс твердения с частотами от 30 кГц до 1 МГц, имеют микротвердость, повышенную до 10% в направлении, перпендикулярном основанию цилиндра, и пониженную на 5-6% в ортогональном, направлении, по сравнению с образцами, полученными при других частотах, т.е., в данном диапазоне частот возникает анизотропия микротвердости цинка. В областях частот фонового ультразвукового воздействия от 0 до 30 кГц 31 и (2,5-8,3) МГц действие регуляции в процессе твердения практически не оказывает влияния на микротвердость цинка. Появление анизотропии у цинка при его пластической деформации - волочении -классический пример из учебников по материаловедению. Как в том, так и в другом случае в цинке происходит упорядочение (самоорганизация кристаллов), но в отличие от директивного (силового) воздействия при волочении в режиме фонового ультразвукового воздействия мы наблюдаем эффект структурирования на ином - информационном уровне.
Кристаллизация сплавов на основе алюминия. Аналогичное "чугунному" явление наблюдается при фоновом ультразвуковом воздействии на процесс твердения алюмокремниевого сплава. На фиг. 13 представлены данные изменения микротвердости сплава АК10М2Н, застывшего в режиме фонового ультразвукового воздействия в процессе твердения жидкой фазы при вариации частоты импульсов тока. Исследование свойств данного сплава показало уменьшение его зернистости в области резонансного роста микротвердости.
В производственных условиях ООО "Сплав" ОАО "Кировский Завод" (СПб) 300-килограммовые отливки сложной конфигурации из сплава АМг5-Мц (содержание элементов, масс. % Mg: 5.9; Si: 0.26; Си: 0.08; Fe: 0.42; Μn: 0.59; Ti: 0.07; Zn: 0.08; Be: 0.04; A1-остальное) получали кристаллизацией в чугунных изложницах из расплава с начальной температурой 710°C. Кристаллизация начинется при 685°C. Процессы (штатный и ультразвуковой) вели при подаче импульсов тока с частотой основной гармоники 250 кГц. По результатам 20 параллельных испытаний обнаружено, что в отливках, полученных в токовом режиме, отсутствует канальная пористость по элегазу (гексафторид серы), тогда как в контроле дефектом обладают 8 слитков (40%). Результаты механических испытаний образцов, специально изготовленных из этих отливок, свидетельствуют о влиянии импульсов тока на прочностные и пластические характеристики материала сплава. При электроимпульсном твердении предел прочности образцов сплава на растяжение (о"в) увеличивается на 15%, относительное удлинение на разрыв (8) - на 90%, а относительное сужение ({) - на 130% по сравнению с контролем.
На заводе ООО "Альфа-Люм" (г.Самара) проводились эксперименты по фоновому ультразвуковому воздействию направленному на непрерывное твердение крупных отливок (столбов диаметром ~ 15 см и длиной 2.5 метра) из алюмо-марганцевого сплава АМц (ГОСТ 4784 - 74). Сигнал импульсов тока 100-1000 кГц подавался на кристаллизатор. Результаты, полученные в заводской лаборатории (фиг. 14 и фиг. 15) пока только по структурным анализам, показывают влияние фонового ультразвукового воздействия твердения на степень однородности структуры по радиальному и осевому сечениям изделий. Как того и следовало ожидать, наименьшие различия поликристаллических структур спонтанного и регулятивного режимов твердения обнаружатся в периферийной зоне быстрого охлаждения материала отливок. Дольше всего "созревают" структуры в горячей центральной области столба - и там формируется мелкозернистая сетка (фиг. 14). Средняя радиальная часть дольше других находится в условиях теплового потока (вначале - жидкой фазы, а после прохождения межфазовой границы - твердой), и там характер продукта отражает своеобразие этого кинетического процесса.
То, что режим фонового ультразвукового воздействия существенно нивелирует пространственные структурные различия, наводит на мысль о повышении скорости теплопередачи на фоне пониженных температурных градиентов.
То, что макроскопически структуры различных режимов твердения практически не различить, отражает факт реализации эффектов фонового ультразвукового воздействия на более малом иерархическом уровне структурной организации, который не находится в прямой связи с макроструктурами, что бывает далеко не всегда (ср. с фиг. 8).
В заводских условиях ОАО "Пекар" (СПб) двухкилограммовые отливки сложной конфигурации (корпус карбюратора) из сплава ЦА4М1 (содержание элементов, масс. % А1: 3.75; Си: 0.93; Мп: 0.05; Zn - остальное) получали кристаллизацией на литьевых машинах под давлением. Электрические импульсы тока частотой от 50 до 250 кГц пропускались непосредственно через литьевую машину. На фиг. 16 представлены результаты сканирующей микроскопии - РЭМ-фотограммы шлифов из этого сплава в отраженных электронах (режим z-контраста) при 400-кратном увеличении для контрольного образца и закристаллизованного при частоте импульсов тока 250 кГц.
Из фиг. 16 видно, что сплав, затвердевший в режиме фонового ультразвукового воздействия, имеет более мелкое зерно матрицы, чем штатный.
Свинец, олово и другие металлы и сплавы. На фиг. 17-19 можно сравнить образцы чистого свинца, затвердевшего в тигле спонтанно и в режиме фонового ультразвукового воздействия.
Предварительно скрайбированные по периметру образцы, охлаждались в жидком азоте в течение 1 часа, после чего производился их излом по линии скрайбирования. Полученные поверхности изломов исследовались на РЭМ JSM-35CF. Различия очевидны.
Также приведем одну весьма показательную картину, отражающую наиболее общие и характерные черты проявления фонового ультразвукового воздействия на процесс твердения минеральных вяжущих материалов.
На фиг. 20 представлены в сравнении две крупномасштабные фотограммы структуры сплава Sn-Bi-Pb-Sb, затвердевшего спонтанно и в режиме фонового ультразвукового воздействия. На левом (а) снимке спонтанно растущих форм отчетливо прослеживается доменная самоподобная структура с явно прослеживаемой тенденцией дендритной ассоциации "темных" зон. Самоподобие таких ассоциатов мы наблюдаем и на снимке (б), но при выраженной пространственной однородности распределения и меньшей зернистости, что явно свидетельствует о быстрой и массовой нуклеации, высокой и пространственно однородной скорости роста кристаллов, что свидетельствует об интенсивном и равномерном по объему среды "сбросе" энтальпии твердения в термостат за меньшее, чем в варианте (а) время.
Подобные кинетические эффекты рассматриваются далее.
Кинетика кристаллизации и долговременная память. Здесь неоднократно говорилось о сокращении времени процесса твердения минеральных вяжущих материалов в режиме фонового ультразвукового воздействия. Этот эффект был проверен количественно лабораторными опытами по кристаллизации олова и свинца и некоторых сплавов на их основе. Плавление и твердение образцов (по массе 0.2 кг) производились в стеклоуглеродном тигле объемом 50 мл в сходных условиях мощности нагрева и естественного воздушного охлаждения. Во избежание электромагнитного шума термодатчика сигнал фонового ультразвукового воздействия от гальванической петли антенны-мдиатора непосредственно в плавильную зону не подавался - в массу металла погружался керамический акустический волновод, имеющий механический контакт с проводом диполя (фиг. 21) и электромагнитный экран.
На фиг. 22 представлены графики компьютерной хронотермометрии - кривые изобарного охлаждения олова и свинца в естественных условиях (контроль) и режиме фонового ультразвукового воздействия на оптимальной частоте следования импульсов тока (215 кГц). Кинетические кривые показывают сохранение скоростей остывания как жидкой, так и твердой фаз металлов (наклонные участки) и отчетливое сокращение времени фазового перехода (горизонтальный участок) в режиме фонового ультразвукового воздействия. Если принять неизменность энтальпии твердения в электромагнитном и акустическом полях - а для иного нет достаточных оснований - сокращение длительности процесса твердения означает интенсификацию "сброса" внутренней энергиисистемы в термостат.Еще одна особенность, явно различимая на фиг. 22, - исчезновение переохлаждения жидкости, что также соответствует представлениям об организующем механизме фонового ультразвукового воздействия.
Эффекты параметрической, в частности, структурной памяти в различных конденсированных системах известны. Выдвигаются эмпирические и теоретически обоснованные модели, некоторые из которых не только объясняют факты, но и дают прогностическую информацию. Нами обнаружен эффект памяти однократного фонового ультразвукового воздействия процессами плавления и твердения металлов: длительность фазового перехода при повторных операциях перекристаллизации (без фонового ультразвукового воздействия) сократилась.
На фиг. 23 показано сохранение и постепенное разрушение фазово-переходной (долговременной) памяти олова и свинца о режиме фонового ультразвукового воздействия (цикл 2) в серии последовательных неуправляемых циклов (3-6) плавления - твердения. Однако к исходному значению времени превращения (цикл 1) система так и не вернулась.
Сходная картина наблюдается при исследовании аккумуляторного сплава СКА7 (0.1-0.2% Са; 0.05% А1; остальное - свинец). Фиг. 24а, показывает устойчивую воспроизводимость времени твердения 0.3 кг сплава в тигле, а фиг. 24б, демонстрирует сокращение длительности твердения на 16% в режиме фонового ультразвукового воздействия и сохранение памяти об этом режиме в дальнейших циклах плавления - твердения.
Таким образом, использование предлагаемого устройства, а также его особое подключение на предприятиях ЖБИ и строительных площадках позволяет повысить качество получаемых минеральных вяжущих материалов и сократить длительность твердения минеральных вяжущих материалов не менее чем в 2 раза.