НЕКОТОРЫЕ ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВМ-ГЕНЕРАТОРА НА РАСПЛАВЫ МЕТАЛЛОВ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полный текст

В период с 1989 по 1991 год в Институте проблем материаловедения АН Украины под руководством директора Института, вице-президента АН УССР, академика В.И. Трефилова, коллективом, возглавляемым начальником отдела, доктором физико-математических наук В.П. Майбородой, был проведён цикл работ по изменению физико-химических свойств металлов при воздействии генератора на электромагнитной основе, разработанного А.Е. Акимовым, на расплавы металлов. Были получены однозначные результаты воздействия данного генератора на расплавы металлов в состоянии перегрева. Отметим, что в тот же период Г.И. Шиповым была предложена «Теория физического вакуума» [1]. Нами, с 2004 по 2020 год в условиях действующего производства были проведены исследования по обработке расплавов чёрных и цветных металлов и сплавов, используемых в машиностроении и авиастроении, генераторами на электромагнитной основе (СВМ-генераторами). Были получены результаты по изменению микрои макроструктуры, что привело к существенному улучшению механических свойств металлов и сплавов [5]. В статье излагаются как старые, так и новые результаты в этой области. Принцип действия СВМ-генератора, по мнению создателя СВМ-генератора С.А. Курапова, основан на резонансном отклике обрабатываемого расплава, находящегося в метастабильном состоянии, на низкоэнергетическое воздействие нестационарного магнитного поля слабого электромагнитного излучения с определенным спектром, в результате которого в металле наблюдаются структурно-фазовые изменения. Структурная схема СВМ-генератора Рис. 1. Схема волновой обработки расплава: 1 - плавильная печь с металлом (ковш); 2 - направленный излучатель (волновой канал) СВМ-генератора; 3 - излучающий элемент; 4 - формирующий блок-модулятор с модификатором; 5 - блок питания; 6 - волновое излучение. Фокус F излучателя ориентирован внутрь объема расплава. Волновая обработка расплава проводится сквозь стенку металлургической печи Как было установлено, характер воздействия генератора на расплавы существенно зависит от материала вещества, помещаемого в резонансную камеру блока-модулятора, то есть от вещества-модулятора, являющегося виртуальным, или пассивным, модификатором металла. В качестве модуляторов использовали традиционные для металлургии легирующие и модифицирующие материалы: магний, марганец, редкоземельные металлы и др. Модулятор служит фильтром, модулирующим спектр излучения генератора. Модификатор может использоваться в том числе для снижения необходимой концентрации традиционных легирующих и модифицирующих материалов (магний, марганец, редкоземельные металлы) без потери физических свойств конечного продукта. Примеры режимов установки для обработки черных металлов: «Антиферритный» режим. Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали (содержание углерода < 0,8 %), в том числе легированные - использование комбинаций, стабилизирующих аустенит элементов: Mn - Ni - Cu - Nb. Данный режим уменьшает количество феррита в литом металле, разрывает сплошную ферритную сетку, уничтожает грануляционную структуру, уменьшает или полностью уничтожает видманштетт. «Антикарбидный» режим. Высокоуглеродистые стали и чугуны (содержание углерода ≥ 0,8 %), в том числе легированные, - использование комбинаций, повышающих растворимость углерода в железе элементов: Mg - Mn - (Y - La - Ne - Ce - Sm - Sc). Данный режим повышает растворимость углерода в аустените, уменьшает количество карбидов в литом металле и разрывает сплошную карбидную сетку. Он также придаёт округлую форму оставшимся карбидам. «Бейнитный» режим. Жаропрочные высоколегированные стали и сплавы. Данный режим понижает критическую скорость охлаждения стали, повышает прокаливаемость низкои среднеуглеродистых сталей. Обработка расплава стали ведется двумя группами модификаторов. В первую половину времени плавки расплав обрабатывается по «антиферритному» режиму с целью уменьшить количество феррита в литом металле. Во второй половине плавки используются модификаторы, состоящие из следующих химических элементов: Cr - W - Mo - B - Co - (Ce - Y - Ne). Были получены результаты по изменению микрои макроструктуры, что привело к существенному улучшению механических свойств металлов и сплавов, а именно: 1. сокращению времени термообработки сталей; 2. снижению литейного брака; 3. уменьшению зерна с 1-2 баллов до 5-7 баллов; 4. управлению в определённых пределах химической активностью элементов стали для получения заданных свойств конечного продукта; 5. уменьшению карбидной неоднородности высокоуглеродистых сталей; 6. уменьшению полосчатости при прокате, вплоть до полного исчезновения; 7. увеличению пластичности сталей при сохранении прочности; 8. увеличению прочности при сохранении пластичности сталей; 9. увеличению ударной вязкости при -70 °С до 100 %; 10. уменьшению неметаллических включений от 2 до 5 раз; 11. получению низколегированной стали 40ХМА со свойствами высоколегированной стали 34ХН3М; 12. увеличению прочности чугуна СЧ25 до уровня СЧ40; 13. увеличению жаропрочности сталей; 14. увеличению разгаростойкости стали 25Х2М1Ф; 15. увеличению коррозионной стойкости стали SAF2205 в 3 раза; 16. увеличению длительной прочности авиационных лопаток из сплава ЖС6У на 82 %; 17. увеличению предела прочности на растяжение силумина АК12 в 2 раза; 18. увеличению прочности при разрушении Д16Т в 2 раза; 19. получению свойств технического (нелегированного) титана на уровне легированного при термообработке; 20. увеличению прочности сплава ЭП678 на 28 % при термообработке; 21. увеличению выхода проката стали 09Г2С 15-й категории качества (-70 °С) на 67 %. Инновационность технологии 1. Впервые в металлургии используется генератор на электромагнитной основе для облучения расплава металла, находящегося в печах ЭШП, ДСП и даже в индукционных печах, причем изменение свойств металла получается по всей глубине расплава, а не только на поверхности. 2. Впервые в металлургии получены результаты, когда модификаторы не кладутся в расплав, а передаются свойства модификаторов резонансным способом, при этом свойства металлов получаются лучше, чем при традиционном способе. Примеры влияния волновой обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства сталей Характерными признаками СВМ-обработки стали измельчение структуры (уменьшение величины зерна аустенита в среднем на 3-4 балла) и повышение ее однородности, в том числе равномерное распределение карбидов, что, как правило, ведет к повышению механических свойств минимум в 1,5 раза, а также снижению анизотропии свойств. Результаты исследования позволяют утверждать о повышении пластических свойств стали при сохранении прочностных. У феррит-перлитных сталей наблюдаются изменения в фазовом составе в сторону увеличения количества перлита. Снижается химический градиент фаз, границы фаз становятся более размытыми. Наблюдается зависимость между измельчением микроструктуры и повышением механических свойств отливок (исключение составила сталь 110Г13Л), хотя отмечены и случаи повышения механических свойств после СВМ-обработки, без видимых изменений в структуре металла (рис. 2-4). а б Рис. 2. Микроструктура стали 110Г13Л аустенитного класса: а - контрольный образец, аустенит, 0-1 балл; б - после волновой обработки; наблюдается характерное измельчение размера зерна (4-5 баллов), измельчение и более равномерное распределение карбидов а б Рис. 3. Микроструктура стали 20ХГНМ после прокатки: а - без СВМ-обработки (феррито-перлит, явно выраженная полосчатость); б - после СВМ-обработки (бейнит, отсутствие полосчатости) Рис. 4. Микроструктура стали 10ХН3МДЛ: а - без СВМ-обработки; б - после СВМ-обработки. Увеличение прочности силумина АК12 На территории Турции используются алюминиевые сплавы (силумины) производителя ETi Aluminum стандартов ETInorm. Далее приведены примеры механических свойств стандартов ETInorm в сравнении с характеристиками силуминов ETInorm после СВМ-обработки. Механические свойства алюминиевых сплавов ETInorm Таблица 1 Марка сплава Предел прочности на растяжение σB, МПа Предел текучести σ0,2, МПа Предел прочности на изгиб σfu, МПа Твердость HV Etial-141 (АК12) 122 98 99 71,5 Таблица 2 Свойства алюминиевых сплавов ETInorm (АК12) после СВМ-обработки Марка сплава Предел прочности на растяжение σB, МПа Предел текучести σ0,2, МПа Отн. удлинение при разрыве Сужение поперечного сечения, % Твердость HV Е-141-1-1 288,68 237,08 3,14 3,72 78 Е-141-4-1 262,36 236,37 0,71 4,51 73 Е-141-5-2 266,73 227,94 1,53 4,89 74 Как видно из результатов, представленных в табл. 1-8 и рис. 5, взятых из официального отчёта, уровень механических свойств силумина невысокой прочности, методом СВМ-обработки, доведён до уровня конструкционной стали. Таблица 3 Результаты испытаний образцов авиационных лопаток из сплава ЖС6У на длительную прочность Условный номер плавки Номер образца в плавке Технические условия испытания Время выдержки под нагрузкой, ч Примечание Напряжение, кгс/мм2 Т испытания, °С 1 1 25 975 42 Без воздействия 2 3 25 25 975 975 52 55 Средняя 49,6 2 1 25 975 69 Воздей- 2 3 25 25 975 975 47 86 ствие по режиму Средняя 67,3 № 1 3 1 25 975 66 Воздей- 2 3 25 25 975 975 51 131 ствие по режиму Средняя 82,6 № 2 4 1 25 975 48 Воздей- 2 3 25 25 975 975 56 126 ствие по режиму Средняя 76,6 № 3 <…> Рис. 5. Результаты изучения микроструктуры в Физтехе и УрО РАН Номер образца Предел прочности Ϭв, кгс/мм² Предел текучести Ϭт, кгс/мм² Относительное удлинение δ, % Относительное сужение Ψ, % Закалка, ºС Старение, ºС Контроль_1 126 121 14 65 950 520 Без СВМ-обраб. Контроль_2 122 118 14,5 67 950 520 Без СВМ-обраб. 3 162 158 12 59 950 520 28,60 % 4 161 158 12,5 58 950 520 27,80 % 5 161 158 11,5 59 950 520 27,80 % 6 162 158 12 58 950 520 28,60 % Воздействие СВМ-генератора на металлы во время термообработки (сплав ЭП678, увеличение прочности на 28 %) Таблица 4 Получение технического, нелегированного титана со свойствами легированного в процессе термообработки Технический титан ВТ1-0, Ti - 99 % Номер образца Предел прочности σв, МПА Предел текучести σт, МПА Относительное удлинение δ, % Параметры СВМ-обработки Т.003 406 31,6 без СВМ-обрабртки ВТ1-0, справочные данные 375 30 Т.004 780 14 Ce, Co, Nd, Ti, V, Y 3M, справочные данные 785 12 Т.009.01 520 390 7 Al, Mo, Ni Т.009.02 500 430 8 Al, Mo, Ni Т.010.01 510 430 7 Al, Mo, Ni, Zr Т.010.02 520 430 6 Al, Mo, Ni, Zr Т.012.01 840 620 15 Al, Cu, Mo, Ni* Т.012.02 850 640 13 Al, Cu, Mo, Ni* ВТ5, Ti - 92 %, Al - 5 %, Mo - 1 %, V - 1 % 715-930 6-10 Т.013.01 355 305 51 без СВМ-обработки Т.013.02 350 300 49 без СВМ-обработки ВТ1-0, справочные данные 375 30 Т.014.02 830 560 18 Al, Cu, Mo, Ni* Т.015.01 850 690 11 Al, Be, Cu, Mo, Ni* Т.015.02 840 690 9 Al, Be, Cu, Mo, Ni* Примечания: 1. ВСЕ ОБРАЗЦЫ из технического титана ВТ1-0. 2. Режим закалки одинаковый - нагрев до 1000 °С, выдержка 20 мин, закалка в водке, естественное старение. 3. Образцы Т.003, Т.013.01, Т.013.02 подвергались только закалке, без СВМ-обработки. По техническим параметрам полностью соответствуют техническому титану. 4. Образцы Т.012 из сплава ВТ1-0 по техническим характеристикам полностью соответствуют титану ВТ5, Ti - 92 %, Al - 5 %, Mo - 1 %, V - 1 %. 5. Образец Т.004 из сплава ВТ1-0 по техническим характеристикам полностью соответствуют титану 3М, Ti - 94 %, Al - 5 % № № образца Условия проведения измерений Результат измерений 1 П5 (контрольный) Т = 154 °С Р = 2,16 кг ПТР = 0,97 г/10 мин 2 П11 (после СВМ-обработки с модификатором) Т = 150 °С У образца невозможно измерить ПТР. Образец при данной температуре имеет слишком низкую вязкость Воздействие СВМ-генератора на полимеры Результаты экспериментов по повышению ПТР полипропилена Таблица 6 Окончание табл. 6 № № образца Условия проведения измерений Результат измерений 3 П4 (после СВМ-обработки без модификатора) Т = 152 °С У образца невозможно измерить ПТР. Образец при данной температуре является твёрдым телом. Т = 159 °С У образца невозможно измерить ПТР. Образец при данной температуре является твёрдым телом Т = 168 °С ПТР = 5,4 г/10 мин ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Образец П11 при Т = 150 °С находится в жидком состоянии, образец П4 при Т = 168 °С имеет ПТР = 5,4 г/10 мин, а образец П5 при Т = 154 °С и Р = 2,16 кг имеет ПТР = 0,97 г/10 мин Исходя из результатов измерений можно сделать вывод, что контрольный образец П5 по ПТР существенно отличается от образцов П4 и П11. При этом образец П11 обладает самой высокой текучестью среди испытанных образцов. При изготовлении образца П11 в качестве модификатора в генераторе СВМ использовалось вещество KOMPPLEN M PP 5X Измерение Т плавления полипропилена Таблица 7 № № образца Диапазон температуры плавления, °С Средняя температура плавления единичного измерения, °С Средняя температура плавления образца, °С 1 П5 (кон- 149-155 152 156,8 трольный) 152-168 160 155-162 158,5 2 П11 145-147 146 146,4 144-146 145 147-149 148 145-148 146,5 3 П4 154-160 157 156,6 154-156 155 153-157 155 4 П7 152-157 154,5 154,5 153-155 154 154-156 155 ЗАКЛЮЧЕНИЕ: 1. Большие интервалы температуры плавления образцов свидетельствуют о неоднородности их состава. 2. Температура плавления образца П11 существенно ниже и составляет 146,4 °С Результаты СВМ-обработки винил-эфирной смолы ВЭС-15 Таблица 8 различными модификаторами с целью увеличения химической стойкости. Смола ВЭС15 Без обработки Обработка с модификаторами фторопласт кварц золото Уменьшение массы, % Н2О вода 1,33 0,99 1,1 1,24 NaOH щёлочь 1,3 0,97 0,98 1,16 H2SO4 кислота 1,32 1,01 1,13 1,23 Относительное повышение химстойкости, % Н2О вода 25,6 17,3 6,8 NaOH щёлочь 25,4 24,6 10,8 H2SO4 кислота 23,5 14,4 6,8 Примечания: 1. Смола ВЭС15 в жидком виде была обработана СВМ-генератором с различными модификаторами. 2. В обработанную смолу был добавлен отвердитель, и она была разлита в специальные формы для определения химической стойкости. 3. Полученные затвердевшие образцы были испытаны на химическую стойкость в трёх разных средах. 4. Наилучший результат - минимальное изменение массы - получено при облучении смолы, когда в качестве модификатора использовался фторопласт. Попытка теоретического объяснения полученных результатов Мы предлагаем ряд гипотез, объясняющих действие нашего генератора на расплавы металлов и полимеров. В развиваемой группой Ю.С. Владимирова реляционной физике среди первичных понятий в принципе нет места для полей - переносчиков взаимодействий [2; 3]. Это соответствует концепции дальнодействия, альтернативной теории поля. Ю.С. Владимиров развил и углубил теорию прямого межчастичного взаимодействия на основе реляционной концепции пространствавремени с использованием унарных и бинарных систем отношений [2]. В рамках последовательного реляционного подхода в [3] делается следующий вывод: поскольку в реляционной парадигме нет самостоятельной категории «пространство-время», а вместо неё выступает совокупность отношений между материальными объектами (зарядами), а кроме того, имеется «море» испущенного, но ещё не поглощённого электромагнитного излучения, возникают веские основания выдвинуть идею, что испущенное, но не поглощённое электромагнитное излучение участвует в формировании самой идеи пространственно-временных отношений. Даже высказывается и более сильное утверждение [3], что именно испущенное, но не поглощённое электромагнитное излучение ответственно за формирование классического пространства-времени. В классической электродинамике электромагнитное поле сильно затухает в расплаве металла, а вот в бинарной геометрофизике Ю.С. Владимирова с учётом прямого межчастичного взаимодействия и «моря» испущенного, но ещё не поглощённого электромагнитного излучения, возможно, электромагнитное излучение СВМ-генератора может существенно влиять на электроны в расплаве металла и значительно влиять на процесс кристаллизации расплава металла. Этот вопрос требует специального рассмотрения. Кроме того, целесообразно проанализировать наши технологические эксперименты на расплавах металлов и полимеров в рамках реляционно-статистического подхода развития квантовой теории [3] с учётом принципа Маха. Особого обоснования требует объяснение дистанционного воздействия в металлургии. Виртуальный перенос «информационных свойств металла-модификатора» на расплав требует специального рассмотрения. Для простейших квантовых систем проявляют себя квантовая нелокальность и квантовая запутанность. Видимо, в экспериментах на расплавах металлов (сложных системах) проявляет себя многочастичная квантовая запутанность (МКЗ). При этом действие СВМ-генератора следует описывать в рамках квантовой механики с учётом нелокальности и МКЗ. Информационная передача свойств металла-модификатора квантовым образом передаётся на расплав металла или полимера с учётом квантовой нелокальности. Этот вопрос требует более глубокого рассмотрения. Далее отметим, что Е.А. Губаревым в работе [4] сформулированы уравнения электродинамики ориентируемой точки, основанной на принципе реальной относительности. В рамках предложенной в [4] теории предсказаны квазистатические свободные электромагнитные поля, имеющие неиндукционный характер и не возбуждающие никакой электродвижущей силы в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Такие квазистатические поля должны иметь высокую проникающую способность в проводниках, так как по своей структуре они не производят никакой работы над свободными зарядами и, следовательно, не рассеиваются в проводниках. Квазистатические поля могут оказать влияние квантовым образом на эффект кристаллизации расплава металла. В этой связи интересно исследовать СВМ-генераторы в отношении проявления таких полей. Отметим, что все эти подходы объяснения действия СВМ-генератора в металлургии требуют квалифицированных теоретических и экспериментальных исследований.

Об авторах

Вячеслав Федорович Панов

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: panov@psu.ru
доктор физико-математических наук, профессор физического факультета Российская Федерация, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Андрей Евгеньевич Бояршинов

ООО «Сталь-59»

Email: svm-perm@mail.ru
заместитель директора Российская Федерация, 614077, Пермь, ул. Аркадия Гайдара, 1, 12

Андрей Валентинович Клюев

ООО «Сталь-59»

Email: svm-perm@mail.ru
заместитель директора Российская Федерация, 614077, Пермь, ул. Аркадия Гайдара, 1, 12

Сергей Аркадьевич Курапов

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: svm-perm@mail.ru
директор экспериментальной лаборатории Российская Федерация, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Список литературы