CZ2004256A3 - Redukce velikosti nálitku a/nebo zlepšení kvality kovu při gravitačním odlévání tvarovaných výrobků pohybem elektrického oblouku - Google Patents

Description

Redukce velikosti nálitku a/nebo zlepšení kvality kovu při gravitačním odlévání tvarovaných výrobků pohybem elektrického oblouku

Oblast techniky

Tento vynález se týká zlepšení při odlévání železných i neželezných kovů.

Konkrétněji, vynález poskytuje přístroj a způsob redukce objemu nálitků a možnost redukce smršťování bublin a poréznosti, zde dále nazývaných prázdná místa při tvarovém gravitačním odlévání, například při odlévání pískových, trvalých nebo polotrvalých forem. V některých případech může být dosaženo redukce velikosti zrn, poréznosti a inkluzí a lepší homogenity a struktury.

Dosavadní stav techniky

Gravitační odlévání tvarovaného hotového výrobku (GCSP) z kovu je nejběžněji prováděno odléváním pískových nebo trvalých nebo polotrvalých forem. Výrobky obvykle nejsou podrobeny žádnému dalšímu plastickému zpracování, kromě nějakého zpracování strojem a teplem, je-li to potřeba.

GCSP je založeno na odlévání kovů/slitin do tvarované formy pomocí gravitace. Například při odlévání do písku je forma vytvořena z písku a jílu, který je před odlévání vytvrzen do vzoru. Forma je na jedno použití/recyklovatelná a měla by být pro každé odlévání vytvořena znovu. Složité tvary jsou vytvořeny z několika pískových jader (někdy nazývaných zrn), které jsou složeny k sobě a vytváří vzor. V souladu s tímto je trvalá forma obvykle vytvořena z alespoň dvou kovových částí, které jsou spojeny k sobě za tvorby vzoru. Tento druh formy je pro mnohonásobné použití. Polotrvalé formy obsahují jak kovové vnější těleso, tak písková vnitřní jádra, a jsou používány hlavně pro složité tvary, jako například válcové hlavice.

Pro výrobu bezchybných odlitků a aby se kompenzovalo smršťování objemu během procesu tuhnutí se používá několik nálitků ve tvaru komínu, aby se vytvořil metalostatický (hydrostatický) tlak, který tlačí kapalný kov do smrštěných oblastí. Protože horní Část odlitku je poslední částí, která tuhne a kde se pozoruje veškeré smršťování, bude dobře navrženou formou taková forma, která má dostatek nálitků ke kompenzaci veškerého smršťování a defektů, ke kterým dochází během procesu tuhnutí. Nálitky mají navíc i roli rezervoáru kapalného kovu pro kompenzaci smršťování v tuhnoucím tělese. Například ve vysoce kvalitních hliníkových nebo ocelových formách může hmotnost nálitků dosáhnout hmotnosti hotového výrobku. Na konci procesu jsou nálitky odříznuty, odstraněny nebo znovu roztaveny.

Samozřejmě jakmile kov v nálitků ztuhne, nemůže již sloužit svému účelu. Aby se zabránilo takovému tuhnutí, byly vyvinuty některé komerčně dostupné výrobky. Keramické tepelně izolující pláště mohou pomoci zvýšit dobu, po kterou je nálitek kapalný. Na horní stranu nálitků může být aplikován exotermický prášek, který generuje teplo, ale takový prášek může způsobit kontaminaci odlitku.

Pohyb elektrického oblouku podle vynálezu, například cirkulujícího oblouku, působí nad všemi nebo vybranými nálitky, aby se vytvořilo dostatečné teplo k zachování kovového rezervoáru v nálitcích v roztaveném stavu (po delší dobu) a aby se vytvořil dostatečný tlak, který umožňuje redukci velikosti nálitků o 60 až 80 %. Pohybující se elektrický oblouk vytváří proud/míchání kapalného kovu, aby se kompenzovala redukce potenciální energie, když je velikost nálitků zmenšena o 60 až 80 %. Elektrický oblouk může být vytvořen různými prostředky a elektrodami, například jak jsou popsány v PCT přihlášce PCT/IL97/00023. Tato přihláška popisuje různé elektrody pro tvorbu cirkulujícího plazmového oblouku pro použití při odlévání.

V rozsahu tohoto vynálezu je také možnost zvýšení kvality výrobku, zejména snížení poréznosti a velikosti zrn v závislosti na slitině a odlitku. Například litinové a některé hliníko-křemíkové odlitky mají v odlitku oblasti o nízké hustotě díky poréznosti. V odlitku hliníkové slitiny může být problém vyřešen použitím velkého množství nálitků, ale u litiny je téměř nevyhnutelné. Aplikací výše popsaných procesů může být dosaženo redukce poréznosti, redukce velikosti zrn a zlepšení mechanických vlastností.

Tento vynález dosahuje výše uvedených cílů zajištěním přístroje pro tvorbu proudění/mícháni kovu v kapalném kovu, přičemž přístroj obsahuje:

a) alespoň jednu elektrodu pro tvorbu kontinuálně se pohybujícího plazmového oblouku nad horním povrchem vybraného(ých) nálitku(ů) v kovovém odlitku, který je odléván;

b) stojan pro zavěšení plazmové obloukové elektrody nad horním povrchem nálitku(ů) při procesu odlévání;

c) druhou elektrodu připevnitelnou ke kapalnému kovu nebo ke formě, která je použita pro odlévání, a ke zdroji energie pro uzavření elektrického obvodu zahrnujícího plazmový oblouk; a

d) řídicí prostředky napojené mezi přístrojem a zdrojem energie.

Ve výhodném provedení tohoto vynálezu je zajištěn plazmový odlévací přístroj s mnoha elektrodami, přičemž každá elektroda je polohovatelná nad jedním z nálitků velkého odlitku za účelem tvorby samostatného pohybujícího se plazmového oblouku nad každým nálitkem.

Ve výhodném procesu tohoto vynálezu je zajištěn způsob redukce velikosti nálitků a/nebo redukce prázdných míst, inkluzí, poréznosti a velikosti zrn v kovových odlitcích a zlepšení homogenity v odlitcích, přičemž tento způsob zahrnuje krok a) odlití roztaveného kovu do formy (forma obsahuje nálitek(y));

krok b) zajištění plazmové obloukové elektrody (elektrod) a její (jejich) umístění nepatrně nad horním povrchem roztaveného kovu v nálitku (nálitcích);

a krok c) připojení elektrického napětí k elektrodě (elektrodám), aby se vytvořil kontinuálně se pohybující plazmový oblouk během procesu tuhnutí nebo během jeho části mezi elektrodou (elektrodami) a horním povrchem nálitku.

Je nutno zdůraznit, že způsob a přístroj, které budou popsány, byly zkoušeny v praxi. Velikost elektrody závisí na velikosti nálitků a množství potřebných elektrod závisí na geometrické složitosti výrobku, který má být odléván. Množství energie a doba působení oblouku také závisí na výrobku. Například přístroj o 10 elektrodách pro polotrvalé odlévání válcových hlavic podle nároků 1 a 5 tohoto vynálezu byl sestaven a fungoval za účelem splnění cílů vynálezu, viz obr. 2-3. U elektrody o průměru 40 mm je nej vhodnější optimum 0,03 kWh na kg k tvorbě míchání/proudu, zahřívání a tlaku pro polotrvalé odlévání hliníkových válcových hlavic.

Příklad redukce objemu nálitku lze vidět na obr. 4-5.

Vzorek redukce poréznosti ve výše uvedené válcové hlavici lze vidět na obr. 8-9.

Vzorek zjemnění zrn u hliníkové slitiny lze vidět na obr. 10-11. Hliníková část byla odlita se 2 nálitky s a bez aplikace pohybujícího se elektrického oblouku nad nálitky. Konvenční odlévání z obr. 10 má drsnou mikrostrukturu s drsnými interdendritickými mezerami, zatímco upravená část z obr. 11 má mnohem jemnější strukturu.

cirkulující oblouky o 150 A byly oba aplikovány po dobu 120 s (po celou dobu tuhnutí).

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude nyní dále popsán s odkazy na přiložené obrázky, které představují formou příkladů výhodná provedení vynálezu. Strukturní detaily jsou znázorněny pouze v případě, že je to nutné pro základní pochopení provedení. Popsané příklady, spolu s obrázky, ozřejmí odborníkům v oboru, jak mohou být realizovány další formy vynálezu.

Na obrázcích:

obr. 1 je částečný řez výhodného provedení přístroje podle vynálezu, znázorňující výrobu odlitku polotrvalé formy;

obr. 2 je perspektivní pohled na odlitek vyrobený použitím přístroje o 10 elektrodách;

obr. 3 je pohled shora na provedení o 12 elektrodách;

obr. 4 je fotografie hliníkové válcové hlavice odlitku o hmotnosti 36 kg, vyrobeného konvenčním odléváním;

obr. 5 je fotografie téže hliníkové válcové hlavice jako na obr. 4 odlitku o hmotnosti 26 kg upraveného způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu;

obr. 6 je pohled z boku na ocelový odlitek vyrobený konvenčním odléváním;

obr. 7 je pohled z boku na týž ocelový odlitek jako je na obr. 6, upravený způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu;

obr. 8 je fotografie části hliníkové válcové hlavice odlitku o hmotnosti 26 kg vyrobeného konvenčním odléváním;

obr. 9 je fotografie téže části hliníkové válcové hlavice jako je na obr. 8 odlitku o hmotnosti 26 kg, upraveného způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu;

• ·

·· · ··· ·· · • · · ♦ · · • · · · · · · • · · · · ····* obr. 10 je mikrostruktumí fotografie odlitku z hliníkové slitiny, vyrobeného konvenčním odléváním; a obr. 11 je mikrostruktumí fotografie téhož odlitku z hliníkové slitiny jako je na obr. 10, upraveného způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je vidět přístroj 10 k odlévání kovu pro redukci velikosti nálitků 12 v jednotlivých kovových odlitcích, a u některých slitin pro redukci prázdných míst, inkluzí, poréznosti a velikosti zrn. Také je zlepšena homogenita, jak bude vidět na obr. 11. U tohoto provedení je upravován odlitek 22 polotrvalé formy.

Schéma znázorňuje přístroj 10, který nese dvě první plazmové obloukové elektrody 16, které jsou umístěny asi 2 až 20 mm nad horním povrchem roztaveného kovu v nálitcích 12. K první elektrodě 16 je připojena koncovka 24.

Na stojanu 26 je podle potřeby zavěšena každá první elektroda 16.

Druhá elektroda 28 je připojena ke kovovému povrchu 30 formy 22, která je použita pro odlévání, nebo přímo k roztavenému kovu 31. Druhá elektroda 28 napojená na další koncový kabel uzavírá elektrický obvod procházející odlitkem z roztaveného kovu 31 ve formě 22, plazmovým obloukem 34, který se má vytvořit mezi horním povrchem každého nálitku 12 a spodní stranou odpovídající první elektrody 16.

Pro nastavování elektrických parametrů jsou zajištěny elektronické řídicí v

prostředky 36 připojené k první a druhé elektrodě 16, 28. Řídicí prostředky 36 jsou spojeny s vhodným zdrojem 38 energie.

Při napojení plazmových obloukových elektrod 16, 28 na elektřinu se generací plazmových oblouků 34 vytvoří elektrické obvody. Mezera mezi horním povrchem nálitků 12 a spodním povrchem odpovídající první elektrody 16 je přemostěna kontinuálně se pohybujícím plazmovým obloukem 34, který

• · vytváří proudění/míchá roztavený kov ve formě 22. Řídicí prostředky 36 napojené mezi přístrojem 10 a zdrojem 36 energie umožňují, aby obsluha řídila elektrické parametry protékající elektrickými obvody.

S odkazem na zbývající obrázky byly použity podobné referenční značky k identifikaci podobných částí.

Na obr. 2 je vidět odlitek 32 válcové hlavice, který je upraven použitím vícehlavového přístroje 40. Přístroj 40 je podobný přístroji 10 popsanému na obr. 1 a je uspořádaný pro 10 prvních elektrod 16, které jsou všechny nad nálitkem 12.

Obr. 3 znázorňuje 12-elektrodové provedení 42, které ukazuje, jak blízko sebe mohou být umístěny elektrody 16, když je potřeba mnoho nálitků za účelem vytvoření vysoce kvalitního odlitku 44.

Na obr. 4 je fotografie válcové hlavice 44 z hliníkové slitiny o hmotnosti 36 kg, která byla vyrobena konvenčním odléváním s 10 nálitky 13 o hmotnosti 14 kg.

Na obr. 5 je fotografie 45 válcové hlavice 45 z hliníkové slitiny, o téže velikosti, upravené způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu, s 10 menšími nálitky 15 o hmotnosti 4 kg.

Na obr. 6 je znázorněn konvenčně odlévaný krytý odlitek 66 o délce asi 77 cm, zhotovený z nástrojové oceli. Typická tloušťka stěny je 50 - 75 mm. Odlitek 66 bez nálitku 68 váží 170 kg a byl vyroben za použití nálitku 68 o průměru 240 mm, který vážil 140 kg, když byl odstraněn. Použitím přístroje 10 znázorněného na obr. 1 byl odlitek 56 o téže velikosti 170 kg vyroben použitím mnohem menšího nálitku 70 znázorněného na obr. 7. Nálitek 70 znázorněný na obr. 7 vážil při odstranění 26 kg, 19 % nálitku 68 znázorněného na obr. 6.

Na obr. 8 je fotografie 72 části 74 válcové hlavice z hliníkové slitiny o hmotnosti 26 kg, která byla zhotovena konvenčním odléváním. Na horní části obrázku lze vidět nepřijatelnou poréznost.

Na obr. 9 je fotografie 76 části 78 válcové hlavice z hliníkové slitiny téže velikosti, upravené způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu. Na fotografii 76 není zjevná žádná poréznost díky proudícímu/míchacímu působení plazmového oblouku.

Na obr. 10 je mikrostruktumí fotografie 80 vzorového fragmentu z odlitku z hliníkové slitiny, obsahujícího 7 % křemíku a vyrobeného konvenčním odléváním. Eutektická struktura je drsná ve srovnání s obr. 11.

Na obr. 11 je mikrostruktumí fotografie 82 ve stejném zvětšení, která znázorňuje tutéž hliníkovou slitinu z odlitku upraveného způsobem a přístrojem podle tohoto vynálezu. Je zde zjevná hladší eutektická struktura a zlepšená homogenita.

Tento vynález také zahrnuje způsoby výroby popsaných zlepšených odlitků a zejména způsoby jejich dosažení při použití výrazně menších nálitků. Způsoby mohou být prováděny za použití dříve popsaného přístroje.

Rozsah vynálezu má zahrnovat všechna provedení vycházející z významu následujících nároků. Předešlé příklady znázorňují užitečné formy vynálezu, ale nemají omezovat jeho rozsah, protože odborníci v oboru si snadno povšimnou, že lze formulovat další varianty a modifikace vynálezu, aniž by došlo k odchýlení od významu následujících nároků.

fv ι^ι _ ? r/ ·· ·φ ···· 99 9 ^W • · · · · » · • · · ·· · 9 9 9 9 • · · · · ··· ·····

99 99 99 · · ti 9

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Přístroj k odlévání kovu pro redukci velikosti nálitků a/nebo pro zlepšení kvality u jednotlivých kovových odlitků, vy z n a č uj í c í se tím, že obsahuje

   a) alespoň jednu plazmovou obloukovou elektrodu pro tvorbu kontinuálně se pohybujícího plazmového oblouku nad horním povrchem alespoň jednoho nálitku vyčnívajícího nad kovovým odlitkem, který je odléván do formy;

   b) alespoň jeden stojan pro zavěšení alespoň jedné plazmové obloukové elektrody;

   c) druhou elektrodu připojitelnou ke kovovému povrchu formy použité pro odlévání nebo k odlévanému kovu pro uzavření elektrického obvodu procházejícího kovovým odlitkem ve formě za účelem tvorby plazmového oblouku; a

   d) řídicí prostředky napojené mezi přístroj a zdroj energie a uspořádané tak, aby dodávaly proud do plazmové obloukové elektrody či elektrod, aby se uzavřel(y) elektrický(é) obvod(y) zahrnující roztavený kov ve formě pro tvorbu kontinuálně se pohybujícího plazmového oblouku mezi horním povrchem každého nálitku a spodním povrchem odpovídající první elektrody, přičemž každý plazmový oblouk vytváří proudění/míchá roztavený kov v odpovídajícím nálitku, a přičemž řídicí prostředky napojené mezi přístrojem a zdrojem energie umožňují řízení elektrického obvodu(ů).
2. 2. Přístroj k odlévání kovu podle nároku 1 pro zlepšení kvality jednotlivých kovových odlitků pro redukci prázdných míst, jak jsou definována, inkluzí, poréznosti a velikosti zrn v odlitcích a pro zlepšení jejich struktury a homogenity.

   ·· ·» ···· ·* · • · · · · · · ··· ·· · · ·· · • · · * · · · » ····«
3. 3. Přístroj k odlévání kovu podle nároku 1 vyznačující se tím, že odlitky jsou odlitky v písku.
4. 4. Přístroj kodlévání kovu podle nároku 1 vyznačující se tím, že odlitky jsou vyrobeny v trvalých formách.
5. 5. Přístroj k odlévání kovu podle nároku 1 vyznačuj ící se tím, že odlitky jsou vyrobeny v polotrvalých formách.
6. 6. Plazmový přístroj k odlévání, jak je zde v podstatě popsán výše a s odkazem na přiložené výkresy.
7. 7. Způsob odlévání kovu pro redukci velikosti potřebných nálitků a/nebo pro zlepšení kvality odlitku, vyznačující se tím, že obsahuje krok a) odlití roztaveného kovu do formy s nálitkem nebo nálitky na něm;

   krok b) zajištění plazmové obloukové elektrody či elektrod a její či jejich umístění mírně nad horním povrchem roztaveného kovu vnálitku či nálitcích; a krok c) připojení elektrického napětí k elektrodě či elektrodám, aby se vytvořil kontinuálně se pohybující plazmový oblouk během procesu tuhnutí nebo během jeho části mezi elektrodou a horním povrchem nálitku, aby tekutý kov proudil/míchal se v nálitku či nálitcích.
8. 8. Způsob odlévání kovu podle nároku 7 pro zlepšení kvality redukcí prázdných míst, inkluzí, poréznosti a velikosti zrn ve zhotovených odlitcích a pro zlepšení jejich homogenity.

   ·· ···· ·· · • · · · · * • · · · · · · • » · r · #9499
9. 9 9 4 99 99 94 9

   9.

   Způsob odlévání kovu podle nároku 7 vyznačující se tím, že elektrická energie aplikovaná na elektrodu za účelem tvorby plazmového oblouku vytváří proud o velikosti alespoň 50 ampérů.
10. 10.Způsob odlévání, jak je zde v podstatě popsán výše a s odkazem na přiložené výkresy.

    WO 03/008143