RU2516210C2 - Method to control process of crystallisation and device for its realisation - Google Patents

Method to control process of crystallisation and device for its realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2516210C2
RU2516210C2 RU2011150667/02A RU2011150667A RU2516210C2 RU 2516210 C2 RU2516210 C2 RU 2516210C2 RU 2011150667/02 A RU2011150667/02 A RU 2011150667/02A RU 2011150667 A RU2011150667 A RU 2011150667A RU 2516210 C2 RU2516210 C2 RU 2516210C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal
pressure
mpa
mold
press
Prior art date
Application number
RU2011150667/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011150667A (en
Inventor
Владимир Федорович Коростылев
Людмила Потаповна Хромова
Original Assignee
Закрытое акционерное общество Научно производственный центр "Инноваций наукоемких опытных разработок" (ЗАО НПЦ "ИНОР")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество Научно производственный центр "Инноваций наукоемких опытных разработок" (ЗАО НПЦ "ИНОР") filed Critical Закрытое акционерное общество Научно производственный центр "Инноваций наукоемких опытных разработок" (ЗАО НПЦ "ИНОР")
Priority to RU2011150667/02A priority Critical patent/RU2516210C2/en
Publication of RU2011150667A publication Critical patent/RU2011150667A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2516210C2 publication Critical patent/RU2516210C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Forging (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to metallurgy. The device comprises a vacuum induction furnace, a cylindrical container and a hydraulic press. The press comprises two hydraulic cylinders arranged coaxially with the container and each developing a force of 0.3 MN, a closing hydrauloc cylinder with a force of 3 MN, a multiplier and a high-pressure valve. Press-plungers of cylinders are installed as capable of opposite movement. Liquid metal at temperature above liquidus by 150-200°C, poured into a vacuumised container - a crystalliser from a vacuum chamber. The vacuum value in the container makes 0.2-0.3·10-5 mm of mercury column. The crystallising metal is exposed to pressure by press-plungers, which is increased with speed of more than 40 MPa/s to the value of 300-400 MPa. After compression of the metal by 10% they increase pressure with the same speed to value of more than 500 MPa, and metal is additionally compressed by 2.4-2.8%. Isostatic compression of metal is carried out until the metal cools down to 100-150°C.
EFFECT: thermodynamic parameters of the method provide for formation of fragments of a nanostructure of separate atoms and associations, which determines production of bars with mechanical properties not inferior to and superior to properties of rolled metal, forged and stamped billets.
2 cl, 6 dwg, 2 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, и может быть использовано для управления процессом кристаллизации с целью повышения механических свойств слитков /изделий путем формирования фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций.The invention relates to metallurgy, and can be used to control the crystallization process in order to increase the mechanical properties of ingots / products by forming fragments of a nanostructure from individual atoms and associations.

Известен способ управления процессом кристаллизации в системе жидкость - твердое вещество путем наложения на нее механических колебаний с фиксированной частотой в диапазоне от 10 до 100 кГц (патент Швейцарии СН №682402, C22F 3/02, с 22 с 21/08, B22D 11/10, 1993)A known method of controlling the crystallization process in a liquid-solid system by applying mechanical vibrations to it with a fixed frequency in the range from 10 to 100 kHz (Swiss patent SN No. 682402, C22F 3/02, s 22 with 21/08, B22D 11/10 , 1993)

Однако область применения данного способа ограничена получением фазы жидкость - твердое тело металлического сплава, обладающего тиксотропными свойствами. По результатам электронной микроскопии установлено, что данный способ позволяет получить более упорядоченную и значительно более мелкую структуру сплавов, однако ее нельзя отнести к ультра мелкодисперсной структуре, не говоря уже о нано структуре. При этом вибрационное - механическое воздействие требует больших затрат электроэнергии на единицу массы кристаллизуемого вещества. Кроме того, вибрационное воздействие является одним из видов промышленных вредностей.However, the scope of this method is limited to obtaining a liquid-solid phase of a metal alloy having thixotropic properties. According to the results of electron microscopy, this method allows to obtain a more ordered and significantly finer structure of the alloys, however, it cannot be attributed to the ultra finely dispersed structure, not to mention the nano structure. In this case, the vibrational - mechanical effect requires a large expenditure of electricity per unit mass of crystallized substance. In addition, vibration exposure is a type of industrial hazard.

Также известен способ литья с кристаллизацией под давлением на машине с горизонтальной камерой прессования, включающий заполнение формы металлом путем заливки его в камеру прессования и выжимания металла прессующим поршнем. Заполнение формы металла осуществляют через относительно большой питатель со скоростью прессующего поршня 0,3-0,5 м/с (патент RU 2033892, B22D 17/00, B22D 18/02, 1992).Also known is a method of injection molding with crystallization under pressure on a machine with a horizontal pressing chamber, comprising filling the mold with metal by pouring it into the pressing chamber and squeezing the metal with a pressing piston. The metal form is filled through a relatively large feeder with a pressing piston speed of 0.3-0.5 m / s (patent RU 2033892, B22D 17/00, B22D 18/02, 1992).

К недостаткам второго аналога относятся грубокристаллическая структура получаемых слитков, а для получения более высоких значений механических свойств сплавов требуется дополнительная термообработка.The disadvantages of the second analogue are the coarse-crystalline structure of the obtained ingots, and additional heat treatment is required to obtain higher values of the mechanical properties of the alloys.

Близким аналогом к заявленному техническому решению является способ изготовления металлических заготовок литьем под давлением, согласно которому производится заливка дозированного объема расплавленного металла в цилиндр прессования, заполнение полости формы расплавом, последующее наложение давления на него и выдержку. Расплав перед заливкой перегревают на 40-70К выше его температуры ликвидус. При этом расплав заливают в промежуточную емкость, а в это время производят вакуумирование полости формы, после чего полость формы и связанные с ней камеры прессования заполняют расплавом из промежуточной емкости. Одновременно с заполнением камер прессования, сообщающихся с полостью формы, продолжается вакуумирование. Скорость заполнения регулируют изменением скорости откачки воздуха и газов из полости формы и камер прессования до окончания их заполнения. При этом регулирование скорости откачки воздуха и газов осуществляют, изменением площади отверстия связывающего полость формы через контркамеру прессования с системой вакуумирования, за счет перемещения контр плунжера. Затем осуществляется двухстороннее наложение давления на расплав по оси заготовки, при этом величина давления составляет 200-500 МПа. Выдержку металла под давлением производят до момента окончания кристаллизации. Для реализации этого способа используется машина для литья под давлением, которая оснащена гидравлической системой и блоком управления, содержит механизм прессования с плунжером и камерой, размещенными в корпусе и связанную с ними разъемную пресс-форму с литейной полостью, сообщающейся с отверстиями для заливки расплава и удаления воздуха и газов. При этом механизм прессования оснащен дополнительной камерой прессования и контр плунжером, размещенными в неподвижной части корпуса соосно пресс-форме ответно камере и плунжеру, выполненными в подвижной части корпуса. Отверстие для заливки расплава выполнено с возможностью его перекрытия плунжером и сообщено с промежуточной емкостью, жестко закрепленной на подвижной части корпуса, а отверстие для удаления воздуха (газов) выполнено с возможностью его перекрытия контр плунжером и сообщено с системой вакуумирования. (Патент RU №2252108 от 20.05.2005 МПК B22D 17/00, заявлено 05.08.2002. Опубликовано 27.02.2004 г.).A close analogue to the claimed technical solution is a method of manufacturing metal billets by injection molding, according to which a metered volume of molten metal is poured into a pressing cylinder, the mold cavity is filled with a melt, then pressure is applied to it and soaking is carried out. Before pouring, the melt is overheated at 40-70K above its liquidus temperature. In this case, the melt is poured into the intermediate vessel, and at this time the mold cavity is evacuated, after which the mold cavity and the associated pressing chambers are filled with the melt from the intermediate vessel. Simultaneously with filling the pressing chambers in communication with the mold cavity, evacuation continues. The filling speed is regulated by changing the speed of pumping air and gases from the mold cavity and the pressing chambers until the end of their filling. At the same time, the speed of evacuation of air and gases is controlled by changing the area of the hole connecting the mold cavity through the compression chamber with the vacuum system, by moving the counter plunger. Then, bilateral pressure is applied to the melt along the axis of the workpiece, while the pressure is 200-500 MPa. Exposure of the metal under pressure is carried out until the end of crystallization. To implement this method, an injection molding machine is used, which is equipped with a hydraulic system and a control unit, contains a pressing mechanism with a plunger and a chamber placed in the housing and an associated releasable mold with a casting cavity in communication with the holes for filling the melt and removing it air and gases. In this case, the pressing mechanism is equipped with an additional pressing chamber and a counter plunger located in a fixed part of the housing coaxially with the mold in response to the chamber and plunger made in the movable part of the housing. The hole for pouring the melt is made with the possibility of overlapping it with a plunger and communicated with an intermediate tank rigidly fixed to the movable part of the housing, and the hole for removing air (gases) is made with the possibility of overlapping it with a counter plunger and communicated with a vacuum system. (Patent RU No. 2252108 of 05/20/2005 IPC B22D 17/00, filed on 05.08.2002. Published on 02.27.2004).

Недостаткам вышеуказанного способа является то, что он не обеспечивает повышения механических свойств отливок путем формирования фрагментов наноструктур из отдельных атомов и их ассоциаций, так как температура перегрева жидкого металла на 40-70К недостаточна, чтобы обеспечить степень переохлаждения, которая определяется разностью равновесной температурой кристаллизации и фактической температурой образования твердой фазы. Снижение степени переохлаждения связано еще и с тем, что заливка металла производится из не вакуумированной промежуточной емкости, что требует дегазации жидкого металла. На первом этапе наложения давления на металл, который свободной заливкой заполняет полость формы, увеличивает скорость удаления газов и сжатия межплоскостных поверхностей с образованием пустот. Температура расплава при этом понижается до температуры образования твердых кристаллических фаз. В этот момент наступает второй этап наложения давления, заключающийся в наложении давления изнутри из под корки закристаллизовавшегося металла. При этом, структура формируется в результате запрессовывания дополнительных объемов металла на компенсацию усадки, а также на пластическую опрессовку литых кристаллов сформировавшихся до наложения давления. Такой способ не обеспечивает формирование в металле фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и их ассоциаций, так как уже образовались твердые фазы кристаллов, для получения в которых наноструктур необходима их пластическая деформация твердого металла за счет приложения давления в несколько гигапаскалей. Полученная по этому способу структура не имеет усадочных дефектов, характеризуется высокой герметичностью, но она состоит из отдельных зон-фрагментов, отличающихся по виду и характеру строения. Таким образом, способ решает проблему уплотнения кристаллизовавшегося металла за счет наложения давления, т.е. влияние давления на качество и свойства отливок проявляется лишь в устранении обычных дефектов усадочного происхождения.The disadvantages of the above method is that it does not improve the mechanical properties of castings by forming fragments of nanostructures from individual atoms and their associations, since the superheat temperature of a liquid metal at 40-70 K is insufficient to provide a degree of supercooling, which is determined by the difference between the equilibrium crystallization temperature and the actual solid phase formation temperature. The decrease in the degree of subcooling is also connected with the fact that the metal is poured from an unevacuated intermediate tank, which requires degassing of the liquid metal. At the first stage of applying pressure to the metal, which fills the mold cavity with free filling, it increases the rate of gas removal and compression of interplanar surfaces with the formation of voids. The temperature of the melt decreases to the temperature of formation of solid crystalline phases. At this moment, the second stage of pressure application begins, which consists in applying pressure from the inside from under the crust of the crystallized metal. At the same time, the structure is formed as a result of pressing in additional volumes of metal to compensate for shrinkage, as well as plastic molding of molten crystals formed before pressure was applied. This method does not provide the formation in the metal of nanostructure fragments from individual atoms and their associations, since solid phases of crystals have already formed, for which nanostructures need plastic deformation of the solid metal due to the application of pressure of several gigapascals. The structure obtained by this method has no shrinkage defects, is characterized by high tightness, but it consists of separate zones-fragments that differ in the type and nature of the structure. Thus, the method solves the problem of compaction of crystallized metal by applying pressure, i.e. the effect of pressure on the quality and properties of castings is manifested only in the elimination of ordinary defects of shrinkage origin.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является способ литья под давлением, который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в заливке дозированного объема расплавленного металла в цилиндр прессования, заполнение полости формы расплавом, последующее наложение давления на него и выдержку. Расплав перед заливкой перегревают на 40-70К выше его температуры ликвидус. При этом расплав заливают в промежуточную емкость, а в это время производят вакуумирование полости формы, после чего полость формы и связанные с ней камеры прессования заполняют расплавом из промежуточной емкости. Одновременно с заполнением камер прессования, сообщающихся с полостью формы, продолжается вакуумирование. Скорость заполнения регулируют изменением скорости откачки воздуха и газов из полости формы и камер прессования до окончания их заполнения. При этом регулирование скорости откачки воздуха и газов осуществляют, изменением площади отверстия связывающего полость формы через контркамеру прессования с системой вакуумирования, за счет перемещения контр плунжера. Затем осуществляется двухстороннее наложение давления на расплав по оси заготовки, при этом величина давления составляет 200-500 МПа. Выдержку металла под давлением производят до момента окончания кристаллизации. Для реализации этого способа используется машина для литья под давлением, которая оснащена гидравлической системой и блоком управления, содержит механизм прессования с плунжером и камерой, размещенными в корпусе и связанную с ними разъемную пресс-форму с литейной полостью, сообщающейся с отверстиями для заливки расплава и удаления воздуха и газов. При этом механизм прессования оснащен дополнительной камерой прессования и контр плунжером, размещенными в неподвижной части корпуса соосно пресс-форме ответно камере и плунжеру, выполненными в подвижной части корпуса. Отверстие для заливки расплава выполнено с возможностью его перекрытия плунжером и сообщено с промежуточной емкостью, жестко закрепленной на подвижной части корпуса, а отверстие для удаления воздуха (газов) выполнено с возможностью его перекрытия контр плунжером и сообщено с системой вакуумирования (Патент RU №2193945, С2, МПК B22D 18/02, заявлено 30.05.2000. Опубликовано 10.12.2002 г.).The closest analogue to the claimed technical solution is the injection molding method, which is selected as a prototype. The method consists in pouring a metered volume of molten metal into a pressing cylinder, filling the mold cavity with a melt, then applying pressure on it and holding it. Before pouring, the melt is overheated at 40-70K above its liquidus temperature. In this case, the melt is poured into the intermediate vessel, and at this time the mold cavity is evacuated, after which the mold cavity and the associated pressing chambers are filled with the melt from the intermediate vessel. Simultaneously with filling the pressing chambers in communication with the mold cavity, evacuation continues. The filling speed is regulated by changing the speed of pumping air and gases from the mold cavity and the pressing chambers until the end of their filling. At the same time, the speed of evacuation of air and gases is controlled by changing the area of the hole connecting the mold cavity through the compression chamber with the vacuum system, by moving the counter plunger. Then, bilateral pressure is applied to the melt along the axis of the workpiece, while the pressure is 200-500 MPa. Exposure of the metal under pressure is carried out until the end of crystallization. To implement this method, an injection molding machine is used, which is equipped with a hydraulic system and a control unit, contains a pressing mechanism with a plunger and a chamber placed in the housing and an associated releasable mold with a casting cavity in communication with the holes for filling the melt and removing it air and gases. In this case, the pressing mechanism is equipped with an additional pressing chamber and a counter plunger located in a fixed part of the housing coaxially with the mold in response to the chamber and plunger made in the movable part of the housing. The hole for pouring the melt is made with the possibility of overlapping it with a plunger and communicated with an intermediate tank rigidly fixed to the movable part of the housing, and the hole for removing air (gases) is made with the possibility of overlapping it with a control plunger and communicated with a vacuum system (Patent RU No. 2193945, C2 , IPC B22D 18/02, claimed May 30, 2000. Published December 10, 2002).

Недостатком вышеуказанного способа является то, что он не обеспечивает повышения механических свойств отливок путем формирования фрагментов наноструктур из отдельных атомов и их ассоциаций, так как температура перегрева жидкого металла на 40-70К недостаточна, чтобы обеспечить степень переохлаждения, которая определяется разностью равновесной температурой кристаллизации и фактической температурой образования твердой фазы. Снижение степени переохлаждения связано еще и с тем, что заливка металла производится из не вакуумированной промежуточной емкости, что требует дегазации жидкого металла. На первом этапе наложения давления на металл, который свободной заливкой заполняет полость формы, увеличивает скорость удаления газов и сжатия межплоскостных поверхностей с образованием пустот. Температура расплава при этом понижается до температуры образования твердых кристаллических фаз. В этот момент наступает второй этап наложения давления, заключающийся в наложении давления изнутри из под корки закристаллизовавшегося металла. При этом, структура формируется в результате запрессовывания дополнительных объемов металла на компенсацию усадки, а также на пластическую опрессовку литых кристаллов сформировавшихся до наложения давления. Такой способ не обеспечивает формирование в металле фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и их ассоциаций, так как уже образовались твердые фазы кристаллов, для получения в которых наноструктур необходима их пластическая деформация твердого металла за счет приложения давления в несколько гигапаскалей. Полученная по этому способу структура не имеет усадочных дефектов, характеризуется высокой герметичностью, но она состоит из отдельных зон-фрагментов, отличающихся по виду и характеру строения. Таким образом, способ решает проблему уплотнения кристаллизовавшегося металла за счет наложения давления, т.е. влияние давления на качество и свойства отливок проявляется лишь в устранении обычных дефектов усадочного происхождения.The disadvantage of the above method is that it does not improve the mechanical properties of castings by forming fragments of nanostructures from individual atoms and their associations, since the superheat temperature of a liquid metal at 40-70K is insufficient to provide a degree of supercooling, which is determined by the difference between the equilibrium crystallization temperature and the actual solid phase formation temperature. The decrease in the degree of subcooling is also connected with the fact that the metal is poured from an unevacuated intermediate tank, which requires degassing of the liquid metal. At the first stage of applying pressure to the metal, which fills the mold cavity with free filling, it increases the rate of gas removal and compression of interplanar surfaces with the formation of voids. The temperature of the melt decreases to the temperature of formation of solid crystalline phases. At this moment, the second stage of pressure application begins, which consists in applying pressure from the inside from under the crust of the crystallized metal. At the same time, the structure is formed as a result of pressing in additional volumes of metal to compensate for shrinkage, as well as plastic molding of molten crystals formed before pressure was applied. This method does not provide the formation in the metal of nanostructure fragments from individual atoms and their associations, since solid phases of crystals have already formed, for which nanostructures need plastic deformation of the solid metal due to the application of pressure of several gigapascals. The structure obtained by this method has no shrinkage defects, is characterized by high tightness, but it consists of separate zones-fragments that differ in the type and nature of the structure. Thus, the method solves the problem of compaction of crystallized metal by applying pressure, i.e. the effect of pressure on the quality and properties of castings is manifested only in the elimination of ordinary defects of shrinkage origin.

Ближайшим аналогом заявленного устройства, принятого за прототип является устройство для изготовления металлических заготовок литьем под давлением, содержащее механизм прессования с камерой прессования и плунжером, корпус, состоящий из двух частей, закрепленных на неподвижной и подвижной плитах литейной машины, гидравлическую систему, систему управления, и разъемную пресс-форму с литейной полостью. Пресс-форма сообщается с отверстием для заливки расплава и с отверстием для удаления воздуха и газов, связанным с системой вакуумирования. При этом, промежуточной емкость жестко закреплена на подвижной части корпуса и сообщается с отверстием для заливки расплава, а механизм прессования снабжен дополнительной камерой прессования с контрплунжером, расположенными в неподвижной части корпуса соосно пресс-форме и противоположно основной камере прессования с плунжером, расположенными в подвижной части корпуса. Отверстие для заливки расплава размещено таким образом, что имеется возможность перекрытия его плунжером, а отверстие для удаления воздуха и газов размещено с возможностью перекрытия его контрплунжером (Патент RU №2193945, С2, МПК B22D 18/02, заявлено 30.05.2000. Опубликовано 10.12.2002 г.).The closest analogue of the claimed device adopted for the prototype is a device for the manufacture of metal billets by injection molding, containing a pressing mechanism with a pressing chamber and a plunger, a housing consisting of two parts mounted on a fixed and movable plate of a casting machine, a hydraulic system, a control system, and split mold with a casting cavity. The mold communicates with a hole for pouring the melt and with a hole for removing air and gases associated with a vacuum system. Moreover, the intermediate container is rigidly fixed on the movable part of the housing and communicates with the hole for pouring the melt, and the pressing mechanism is equipped with an additional pressing chamber with a counter plunger located in the stationary part of the housing coaxially with the mold and opposite to the main pressing chamber with the plunger located in the movable part corps. The hole for pouring the melt is positioned so that it is possible to overlap it with a plunger, and the hole for removing air and gases is placed with the possibility of overlapping it with a counter plunger (Patent RU No. 2193945, C2, IPC B22D 18/02, filed 05/30/2000. Published 10.12. 2002).

К недостаткам прототипа относятся то, что он не обеспечивает повышения механических свойств отливок путем формирования фрагментов наноструктур из отдельных атомов и их ассоциаций, так как давление на металл, который свободной заливкой заполняет полость формы, передается с помощью прессующего плунжера с одной стороны, а именно: со стороны заливочной чаши, что приводит к формированию несимметричных температурных полей, а, следовательно, и неодинаковых термодинамических условий в разных частях объема отливки; скорость наложения давления не согласована с состоянием металла, поэтому влияние давления на качество и свойства отливок проявляется лишь в устранении обычных дефектов усадочного происхождения.The disadvantages of the prototype include the fact that it does not increase the mechanical properties of castings by forming fragments of nanostructures from individual atoms and their associations, since the pressure on the metal, which fills the mold cavity with a free fill, is transmitted using a pressing plunger on one side, namely: from the side of the pouring bowl, which leads to the formation of asymmetric temperature fields, and, consequently, unequal thermodynamic conditions in different parts of the casting volume; the pressure application rate is not consistent with the state of the metal, therefore, the effect of pressure on the quality and properties of castings is manifested only in the elimination of ordinary defects of shrinkage origin.

Задачей заявленного изобретения является получение более высокого уровня механических свойств слитков /изделий, путем формирования фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций. При этом управление кристаллизацией, нацелено на то, чтобы всестороннее давление, накладываемое на жидкий металл, было направлено на формирование в процессе кристаллизации заданной структуры, определяющей свойства, не уступающие или превосходящие свойства проката, кованных и штампованных заготовок.The objective of the claimed invention is to obtain a higher level of mechanical properties of ingots / products, by forming fragments of a nanostructure from individual atoms and associations. At the same time, crystallization control is aimed at ensuring that the all-round pressure applied to the liquid metal is aimed at forming a predetermined structure during crystallization that determines properties that are not inferior or superior to the properties of rolled, forged and stamped blanks.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изобретения управление процессом кристаллизации металла, включает нагрев металла до температуры выше ликвидуса, заливку жидкого металла в вакуумируемый кристаллизатор из вакуумной камеры, наложение давления на жидкий кристаллизующийся металл, уплотнение металла и выдержку под давлением, (согласно изобретению), кристаллизатор вакуумируют до величины 0,2-0,3·10-5 мм р.ст., металл нагревают до температуры на 150-200 по Цельсию выше ликвидуса, давление прилагают с повышением его со скоростью >40 МПа/с до величины 300-400 МПа, после сжатия металла на 10% повышают давление с той же скоростью до величины >500 МПа и дополнительно производится изостатическое сжатие металла на 2,4-2,8%, при этом выдержку металла под давлением осуществляют до момента, когда металл охладится до 100-150 по Цельсию.The problem is solved due to the fact that in the method of the invention, the control of the metal crystallization process includes heating the metal to a temperature above liquidus, pouring the liquid metal into the evacuated mold from the vacuum chamber, applying pressure to the liquid crystallizing metal, sealing the metal and holding it under pressure (according to the invention), the mold is evacuated to a value of 0.2-0.3 · 10-5 mm Hg, the metal is heated to a temperature of 150-200 Celsius above liquidus, the pressure is applied with increasing it at a speed > 40 MPa / s to a value of 300-400 MPa, after compressing the metal by 10%, increase the pressure at the same speed to a value> 500 MPa and additionally perform isostatic compression of the metal by 2.4-2.8%, while the metal is held under pressure is carried out until the metal cools to 100-150 Celsius.

Так же задача решается посредством того, что устройство для управления процессом кристаллизации металла содержит вакуумную индукционную печь с разряжением 1·10-5 мм рт.ст., цилиндрический контейнер с горизонтальным расположением оси (далее - кристаллизатор), вакуумированный до 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., гидравлический пресс, состоящий из двух гидроцилиндров, расположенных соосно с кристаллизатором и развивающих каждый в отдельности усилие 0,3 МН, рассчитанное на перемещение пресс-плунжеров на 125 мм, гидроцилиндра замыкания, развивающего усилие 3 МЫ при ходе 250 мм., мультипликатора давления и клапана высокого давления, при этом пресс-плунжеры установлены с возможностью встречного перемещения вдоль оси контейнера для наложения давления на кристаллизующийся металл и всестороннего сжатия металла, программируемого про закону, учитывающему конкретные особенности сплава и форму изделия, и обеспечивающего уплотнение расплава металла на 12,4-12,8% при давлении более 500 МПа.The problem is also solved by the fact that the device for controlling the process of metal crystallization contains a vacuum induction furnace with a vacuum of 1 · 10 -5 mm Hg, a cylindrical container with a horizontal axis (hereinafter referred to as the mold), evacuated to 0.2-0 3 · 10 -5 mm Hg, a hydraulic press consisting of two hydraulic cylinders coaxially with the mold and developing individually 0.3 MN force, designed to move the press plungers by 125 mm, a closing hydraulic cylinder, which develops the force 3 WE at a stroke of 250 mm, a pressure multiplier and a high pressure valve, while the press plungers are installed with the possibility of counter movement along the axis of the container to apply pressure to the crystallizing metal and comprehensively compress the metal, programmed under the law, taking into account the specific characteristics of the alloy and the shape of the product, and providing melt compaction of the metal by 12.4-12.8% at a pressure of more than 500 MPa.

Предполагаемый способ управления кристаллизацией, основан на впервые установленной авторами неизвестной ранее закономерности влияния давления на жидкий металл (т.е. на металл, который находится в состоянии, когда межатомные взаимодействия в большей степени имеют вероятностный - статистический характер), которое приводит к увеличению коэффициента сжимаемости, связанного с образованием кластеров жидкой фазы за счет сравнительно легкого сближения атомов на расстояние, соизмеримое с амплитудой колебания атомов относительно исходного положения. Сближения атомов в жидком металле на расстояния, при которых их взаимодействия, диффузия, расслоение, взаимное скольжение существенным образом изменяются (по аналогии с термической закалкой на мартенсит) и формирование структуры под давлением происходит из сильно неравновесного состояния. Увеличение давления и уменьшения объема металла, связаны с улучшением процесса кристаллизации тем, что сохраняющиеся в жидкой фазе кластеры, к моменту начала кристаллизации и в процессе кристаллизации занимают в пространстве положение и ориентацию, способствующие процессу кристаллизации. При этом, сопровождаемое выделением скрытой теплоты кристаллизации, направленно на формирование дополнительных межатомных связей, приводящих к образованию нано структур.The proposed method of crystallization control is based on the laws of pressure, which were previously unknown for the first time and have been established by the authors on a liquid metal (i.e., on a metal that is in a state where interatomic interactions are more likely probabilistic - statistical in nature), which leads to an increase in the compressibility coefficient associated with the formation of liquid phase clusters due to the relatively easy approach of atoms to a distance commensurate with the amplitude of atomic vibrations relative to the initial Proposition. The proximity of atoms in a liquid metal to distances at which their interactions, diffusion, separation, and mutual sliding substantially change (by analogy with thermal quenching for martensite) and the formation of a structure under pressure occurs from a highly nonequilibrium state. An increase in pressure and a decrease in the volume of the metal are associated with an improvement in the crystallization process in that the clusters remaining in the liquid phase occupy a position and orientation in space that contribute to the crystallization process at the time of crystallization and during crystallization. Moreover, accompanied by the release of latent heat of crystallization, it is aimed at the formation of additional interatomic bonds, leading to the formation of nanostructures.

Использование вакуумной индукционной печи, шлюзовой камеры, вакуумированных до 1·10-2 мм рт.ст. и кристаллизатора вакуумированного до экспериментально установленной величины 0,2-0,3 10-5 мм рт.ст. позволяет создать единое вакуумное пространство, по которому перемещается металл из плавильной вакуумно-индукционной печи в кристаллизатор. В процессе такого способа заливки, во-первых, металл не насыщается газом, а, во-вторых, единое вакуумное пространство позволяет равномерно и быстро производить заливку жидкого металла без охлаждения в процессе заливки. Особенность процесса состоит в том, что во время заполнения кристаллизатора жидким металлом, в результате подключения его с дополнительной вакуумной системе создается разрежение 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст. против 1·10-2 мм рт.ст. в шлюзовой камере, что благоприятствует увеличению скорости заливки жидкого металла, и что не достигается ни при разливки слитков в изложницы, ни при жидкой штамповке, ни при литье под давлением. Следствием такого способа заливки является то, что скорость подачи давления увеличивается и, как установлено экспериментально может достигать величину более 40 МПа/с, так как не требуется давления на удаление остаточного содержания газов и воздействие давление начинается еще до момента образования первых закристаллизовавшихся частиц. Таким образом, появляется возможность менять скорость подачи давления, а экспериментально опробована возможность подачи давления по параболическому, экспоненциальному или другому закону с учетом конкретных особенностей сплава и формы изделий.The use of a vacuum induction furnace, airlock, evacuated to 1 · 10 -2 mm RT.article and a crystallizer evacuated to an experimentally established value of 0.2-0.3 10 -5 mm RT.article allows you to create a single vacuum space through which the metal moves from a melting vacuum induction furnace into the mold. In the process of this casting method, firstly, the metal is not saturated with gas, and, secondly, a single vacuum space allows you to uniformly and quickly fill liquid metal without cooling during the casting process. A feature of the process is that during filling of the mold with liquid metal, as a result of connecting it to an additional vacuum system, a vacuum of 0.2-0.3 · 10 -5 mm Hg is created. against 1 · 10 -2 mm RT.article in the lock chamber, which favors an increase in the rate of pouring of liquid metal, and that is not achieved either by casting ingots into the molds, or by liquid stamping, or by injection molding. The consequence of this filling method is that the pressure feed rate increases and, as established experimentally, can reach a value of more than 40 MPa / s, since pressure is not required to remove the residual gas content and the pressure begins even before the formation of the first crystallized particles. Thus, it becomes possible to change the pressure feed rate, and experimentally tested the possibility of applying pressure according to parabolic, exponential or other law, taking into account the specific characteristics of the alloy and the shape of the products.

Перегрев металла перед заливкой на 150-200 по Цельсию выше температуры ликвидус позволяет во-первых привести металл в более не равновесное состояние и во вторых к возможности управлять скоростью охлаждения. Экспериментально установлено, что повысив скорость охлаждения вначале, можно добиться формирования более высокой твердости поверхностного слоя и более низкой твердости внутри отливки. Это позволяет исключить из технологического процесса операцию поверхностного упрочнения при изготовлении данным способом изделий. В тоже время экспериментально было установлено, что запаздывание управляющего способом воздействия приводит к значительным отклонениям от желаемого результата. Запаздывание воздействия на жидкий металл ощущается впервые 3-5 с после подачи металла в кристаллизатор. Чтобы исключить возможность неуправляемости процесса кристаллизации впервые 3-5 с оказалось достаточным перегреть металл на 150-200 по Цельсию. Заливка металла через шлюзовую камеру, не требует ни каких промежуточных емкостей и протекает без контакта со стенками шлюзовой камеры, что не требует дополнительной защиты, повышающей стойкость оснастки. Управляя воздействием давления и варьируя скоростью охлаждения в первые секунды на поступивший в полость кристаллизатора жидкий металл, способ позволяет достичь решения поставленной задачи, как на массивных отливках, так и при производстве тонкостенных изделий.The overheating of the metal before pouring 150-200 Celsius above the liquidus temperature allows, firstly, to bring the metal to a more unbalanced state and secondly to the ability to control the cooling rate. It was experimentally established that by increasing the cooling rate at the beginning, it is possible to achieve the formation of a higher hardness of the surface layer and lower hardness inside the casting. This allows you to exclude from the process the operation of surface hardening in the manufacture of this method of products. At the same time, it was experimentally established that the delay in the control of the method of action leads to significant deviations from the desired result. The delay in the effect on the liquid metal is felt for the first time 3-5 s after the metal is fed into the mold. To exclude the possibility of uncontrollability of the crystallization process for the first 3-5 s, it turned out to be sufficient to overheat the metal by 150-200 Celsius. Pouring metal through the lock chamber does not require any intermediate containers and proceeds without contact with the walls of the lock chamber, which does not require additional protection that increases the durability of the equipment. By controlling the effect of pressure and varying the cooling rate in the first seconds on the liquid metal entering the mold cavity, the method allows to achieve the solution of the problem, both on massive castings and in the production of thin-walled products.

Величина начального давления в диапазоне 300-400 МПа экспериментально определена для сплавов различного состава, при этом экспериментально было установлено, что необходимо сжатие металла на 10%, что значительно выше объемной усадки и это позволяет создать условия для образования кластеров в жидком металлическом расплаве.The initial pressure in the range of 300-400 MPa was experimentally determined for alloys of various compositions, while it was experimentally established that 10% compression of the metal is necessary, which is much higher than volume shrinkage and this allows creating conditions for the formation of clusters in a liquid metal melt.

Таким образом, экспериментально было установлено, что способ наложения давления, для получения требований заданного результата необходимо осуществлять в два этапа:Thus, it was experimentally established that the method of applying pressure to obtain the requirements of a given result must be carried out in two stages:

1 этап - сжатие жидкого металла на 10% давлением 300-400 МПа, который определяет сближение атомов и получение неравновесного состояния жидкого металла;Stage 1 - compression of a liquid metal by 10% with a pressure of 300-400 MPa, which determines the approximation of atoms and obtaining a nonequilibrium state of a liquid metal;

2 этап - изостатическое сжатие жидкого расплава в неравновесном состоянии, способствующее выделением наноструктур квазикристаллических и аморфных фаз.Stage 2 - isostatic compression of a liquid melt in a nonequilibrium state, contributing to the release of nanostructures of quasicrystalline and amorphous phases.

На первом этапе давление на жидкий на металл невысокое, после чего необходимо увеличение до величины >500 МПа, и только при этом давлении, как экспериментально установлено, происходит изостатическое сжатия кристаллизующегося металла, приводящая к созданию дальнего порядка в жидком металле. При этом изостатическое сжатие кристаллизующегося металла составляет 2,4…2,8%.At the first stage, the pressure on the liquid on the metal is not high, after which an increase to> 500 MPa is necessary, and only at this pressure, as experimentally established, is the isostatic compression of the crystallizing metal occurs, leading to the creation of long-range order in the liquid metal. In this case, the isostatic compression of the crystallizing metal is 2.4 ... 2.8%.

Наложение давления >500 МПа на жидкий металл создает условия для преодоления сопротивления и сближения атомов, амплитуда колебаний атомов уменьшается, или изменяется взаимное пространственное расположение атомов, при этом координационное число увеличивается.The application of pressure> 500 MPa to the liquid metal creates conditions for overcoming the resistance and the approach of atoms, the amplitude of atomic vibrations decreases, or the mutual spatial arrangement of atoms changes, and the coordination number increases.

Предлагаемый способ позволяет осуществлять управление кристаллизацией расплава, наложением изостатического давления более 500 МПа на весь объем кристаллизующегося металла и удержать его вплоть до температуры охлаждения 150-200 по Цельсию. Способ, за счет изостатического сжатия жидкого металла, позволяет производить манипуляцию атомами в расплавленном состоянии, когда кристаллическая решетка разрушена, а во взаимном расположении атомов нет закономерности. Основные особенности такого взаимодействия формируются уже в расплаве, что приводит к возникновению в расплаве химического ближнего порядка определенного типа, который контролирует возможность выделения наноразмерных аморфных и квазикристаллических фаз. Причинно-следственная связь повышенного уровня физико-механических свойств состоит в том, что полученное состояние жидкого металла наследуются твердым состоянием и металл становится наноструктурированным материалом, упрочненным аморфными и квазикристаллическими фазами. Свойства таких материалов значительно превышают величины, полученные на сплавах по традиционной металлургической технологии, а, следовательно, изменяются технологические и эксплуатационные свойства изделий.The proposed method allows you to control the crystallization of the melt, the application of an isostatic pressure of more than 500 MPa to the entire volume of the crystallizing metal and keep it up to a cooling temperature of 150-200 Celsius. The method, due to the isostatic compression of the liquid metal, allows the manipulation of atoms in the molten state, when the crystal lattice is destroyed, and there is no pattern in the mutual arrangement of atoms. The main features of such an interaction are formed already in the melt, which leads to the appearance of a certain type of chemical short-range order in the melt, which controls the possibility of precipitation of nanoscale amorphous and quasicrystalline phases. The causal relationship of the increased level of physical and mechanical properties is that the obtained state of the liquid metal is inherited by the solid state and the metal becomes a nanostructured material strengthened by amorphous and quasicrystalline phases. The properties of such materials significantly exceed the values obtained on alloys using traditional metallurgical technology, and, consequently, the technological and operational properties of the products change.

В предлагаемом способе давление используется как фактор термодинамического параметра, который, как и температура определяет состав фаз в неравновесных условиях и влияет на фазовые превращения и структуру в твердом состоянии при изменении скорости наложения давления. То есть наложение изостатического давления является фактором воздействия, определяющего множество вариантов технологических параметров, приводящих к образованию наноструктурных материалов.In the proposed method, pressure is used as a factor of a thermodynamic parameter, which, like temperature, determines the composition of phases under nonequilibrium conditions and affects phase transformations and structure in the solid state with a change in the pressure application rate. That is, the application of isostatic pressure is an influence factor that determines many options for technological parameters leading to the formation of nanostructured materials.

Формирование фрагментов наноструктуры может быть достигнуто, в соответствии с данной заявкой, в условиях всестороннего сжатия при температуре выше температуры начала кристаллизации, когда атомы утрачивают характерную для них диффузионную подвижность и способность формировать равновесные фазы, отличающиеся по составу и строению кристаллической решетки. Такое состояние может быть достигнуто, если такие параметры процесса, как перегрев жидкого металла над температурой ликвидус, скорость нарастания давления, величина давления, накладываемого на жидкий металл, степень изостатического сжатия жидкого металла до начала кристаллизации подобраны предварительно опытным путем и обеспечивают необходимое сближение атомов до начала кристаллизации; во время кристаллизации требуется дополнительная изостатическое сжатие металла для компенсации усадки, давление при этом необходимо увеличивать и не снимать с прессующих плунжеров, пока температура отливки не понизится до 100-150 град. по Цельсию.The formation of nanostructure fragments can be achieved, in accordance with this application, under conditions of comprehensive compression at a temperature above the onset temperature of crystallization, when the atoms lose their characteristic diffusion mobility and the ability to form equilibrium phases that differ in the composition and structure of the crystal lattice. Such a state can be achieved if process parameters such as overheating of the liquid metal above the liquidus temperature, the rate of pressure rise, the pressure applied to the liquid metal, the degree of isostatic compression of the liquid metal prior to crystallization are selected previously experimentally and provide the necessary approximation of the atoms before crystallization; during crystallization, additional isostatic compression of the metal is required to compensate for shrinkage, the pressure must be increased and not removed from the pressing plungers until the casting temperature drops to 100-150 degrees. Celsius.

В отличие от машин для литья под давлением, где последовательность срабатывания механизмов жестко регламентирована, при осуществлении процесса с помощью устройства, представляющего собой автоматизированный перепрограммируемый комплекс па базе гидравлического пресса, имеется возможность изменять порядок включения механизмов и время их функционирования и таким образом, управлять изменением того или иного параметра, в частности, давления, накладываемого на металл, с учетом влияния других параметров и внешних возмущений. Гидравлический пресс при этом представляет собой силовой агрегат из двух дополнительных гидроцилиндров, расположенных соосно с осью вращения кристаллизатора в горизонтальной плоскости пресса, и развивающих каждый в отдельности усилие 0,3 МН и рассчитанных на перемещение пресс-плунжеров на 125 мм, для непосредственного наложения давления на кристаллизующийся металл; а также, гидроцилиндра замыкания формы с мультипликатором давления и клапаном высокого давления, причем развиваемое гидроцилиндром усилие составляет - 3 МН, при ходе - 250 мм. Благодаря указанной выше компоновке удается осуществить двухстороннее сближение плунжеров, которое обеспечило эффективное изостатическое сжатие жидкого металла в кристаллизаторе, имеющем достаточно сложное по форме внутреннее пространство. Кроме того, такая конструкция пресса позволила скомпоновать все элементы автоматического перепрограммируемого комплекса таким образом, что обеспечивается удобство эксплуатации, обслуживания и ремонта. При этом горизонтальная ось пресса не зависит от уровня заливочной площадки, что позволяет производить заливку жидкого металла в кристаллизатор непосредственно из плавильной вакуумной - индукционной печи, через шлюзовую камеру.Unlike injection molding machines, where the sequence of operation of the mechanisms is strictly regulated, when carrying out the process using a device that is an automated reprogrammable complex based on a hydraulic press, it is possible to change the order of activation of the mechanisms and the time of their functioning and thus control the change or another parameter, in particular, the pressure applied to the metal, taking into account the influence of other parameters and external disturbances. In this case, the hydraulic press is a power unit of two additional hydraulic cylinders located coaxially with the axis of rotation of the mold in the horizontal plane of the press, and each developing individually a force of 0.3 MN and designed to move the press plungers by 125 mm, to directly apply pressure to crystallizing metal; as well as a form-closing hydraulic cylinder with a pressure multiplier and a high pressure valve, and the force developed by the hydraulic cylinder is 3 MN, with a stroke of 250 mm. Thanks to the aforementioned arrangement, it is possible to realize a two-sided approach of the plungers, which ensured the effective isostatic compression of the liquid metal in the mold, which has a rather complex internal shape. In addition, this design of the press made it possible to compose all the elements of the automatic reprogrammable complex in such a way that the convenience of operation, maintenance and repair is provided. In this case, the horizontal axis of the press does not depend on the level of the casting pad, which allows pouring liquid metal into the mold directly from the vacuum melting - induction furnace through the lock chamber.

Экспериментально было установлено, что для реализации поставленной задачи для заданного объема (2000 см3) пресс должен иметь следующие параметры, которые приведены в таблице 1.It was experimentally established that in order to realize the task for a given volume (2000 cm3), the press should have the following parameters, which are shown in table 1.

Таблица 1.Table 1. ПараметрыOptions ЗначениеValue Диаметр отливки, ммDiameter of casting, mm 9090 Высота отливки, ммCasting Height, mm 200200 Диаметр прессующих плунжеров, ммDiameter of pressing plungers, mm 30thirty Ход правого прессующего плунжера, ммStroke of the right pressing plunger, mm 150150 Ход левого прессующего плунжера, ммStroke of the left pressing plunger, mm 125125 Ход гидроцилиндра мультипликатора, ммMultiplier hydraulic stroke, mm 250250 Рабочее усилие гидроцилиндра, для наложения давления, МНThe working force of the hydraulic cylinder, for applying pressure, MN 0,30.3 Усилие запирания формы, МНLocking force, MN 33 Ход плиты, необходимый для раскрытия формы, ммPlate travel required to open the mold, mm 250250 Число гидроцилиндровNumber of hydraulic cylinders 4four Расположение гидроцилиндровLocation of hydraulic cylinders Навстречу друг другу соосно оси вращения кристаллизатора.Towards each other coaxially to the axis of rotation of the mold.

Экспериментально установлено, что наличие двух дополнительных гидроцилиндров, запрессованных один в неподвижные плиты и через гидроцилиндр прессования соединенных с подвижной плитой пресса, позволяет на любом отрезке в пределах 250 мм развивать усилие 3 МН. С этим усилием производится всестороннее изостатическое сжатие жидкого металла до 10 мм, что соответствует ходу штока мультипликатора равному 250 мм. Это создает условия для достаточно широкого диапазона варьирования кинематическими и силовыми параметрами. При этом гидроцилиндры унифицированы по внутреннему диаметру, который составляет 200 мм. Таким образом, ход поршня мультипликатора и ход силового штока гидроцилиндра равны 250 мм, при соотношении площадей поршня и штока мультипликатора 1:10, так что давление на поршень гидроцилиндра при давлении в гидросистеме равном 10…50 МПа, составляет 100…500 МПа, соответственно. Для удержания этого давления дополнительный гидроцилиндр запрессован в неподвижную плиту.It was experimentally established that the presence of two additional hydraulic cylinders, pressed one into a fixed plate and through a pressing hydraulic cylinder connected to a movable press plate, allows a force of 3 MN to be developed on any segment within 250 mm. With this effort, a comprehensive isostatic compression of the molten metal up to 10 mm is performed, which corresponds to a stroke of the multiplier of 250 mm. This creates the conditions for a sufficiently wide range of variation of kinematic and force parameters. At the same time, hydraulic cylinders are unified by an inner diameter of 200 mm. Thus, the piston stroke of the multiplier and the stroke of the power rod of the hydraulic cylinder are 250 mm, with the ratio of the areas of the piston and the rod of the multiplier 1:10, so that the pressure on the piston of the hydraulic cylinder with a pressure in the hydraulic system equal to 10 ... 50 MPa is 100 ... 500 MPa, respectively. To maintain this pressure, an additional hydraulic cylinder is pressed into a fixed plate.

Плита пресса оснащена усиленной направляющей в виде блока, в состав которого наряду с имеющейся плитой включена дополнительная плита и гильза. Такая система силового пресса позволяет осуществлять подачу давления одновременно в обе полости гидроцилиндров силового замыкания с последующим импульсным стравливанием рабочей жидкости в слив.The press plate is equipped with a reinforced guide in the form of a block, which, in addition to the existing plate, includes an additional plate and sleeve. Such a system of the power press allows the supply of pressure simultaneously to both cavities of the hydraulic cylinders of the power circuit with subsequent pulse bleeding of the working fluid into the drain.

Соосность плунжеров оси кристаллизатора позволяет сформировать конфигурацию требуемого изделия относительно поверхности кристаллизатора, которая рассматривается, как технологическая база для дальнейшей механической обработки. Это позволяет, наряду с получением хорошего качества поверхности вести обработку поверхности со снятием припуска 0,3…0,5 мм с равномерным распределением масс во всем объеме, как в осевом, так и в радиальном направлении.The alignment of the plungers of the axis of the mold allows you to configure the desired product relative to the surface of the mold, which is considered as a technological base for further machining. This allows, in addition to obtaining good surface quality, to carry out surface treatment with removal of an allowance of 0.3 ... 0.5 mm with a uniform distribution of masses in the entire volume, both in the axial and in the radial direction.

Для обеспечения в кристаллизаторе вакуума 0,2-0,3·10-5 мм. рт.ст. в процессе заливки жидкого металла в автоматическом перепрограммируемом комплексе предусмотрена автономная вакуумная система, представляющая собой вакуумный насос, вакуумный ресивер, штуцер и пр., обеспечивающая заданное значение разряжения в течение времени всего технологического процесса. Разница разряжения в кристаллизаторе равное 0,2-0,3·10-5 мм. рт.ст. против 1·10-2 мм. рт.ст. в корпусе вакуумной - индукционной печи и шлюзовой камере, позволяет не только увеличить и управлять скоростью заполнения кристаллизатора жидким металлом, но и создает условия, при которых кристаллизатор заполняется жидким металлом с заданной скоростью плавно, сплошным фронтом, без разбрызгивания. Применение такого способа заливки жидкого металла в кристаллизатор позволяет получать необходимые заданные свойства не только в слитках, но и в изделиях сложной формы, в том числе и пустотелых заготовок типа втулок, колец и т.п., без использования стержней, установка которых требует дополнительной оснастки. Заливка жидкого металла в кристаллизатор сплошным фронтом обеспечивает поверхность слитков/изделий, на которой не наблюдалась волнистость, заусенцы и другие дефекты поверхности. Кроме этого, применение данного способа заливки позволяет отказаться от установки летников и прибылей, что существенно сокращает расходы на их изготовление и установку и уменьшает время технологического процесса. В этих условиях, когда полость кристаллизатора заполняется жидким металлом, то (при такой схеме и параметрах процесса) распределение температуры по всему объему слитка/изделия происходит равномерно. Таким образом, создаются благоприятные условия для наложение давления на жидкий, а не на кристаллизующийся и тем более не на уже закристаллизовавшийся (твердый) металл. Закристаллизовавшийся металл оказывает на порядок более высокое сопротивление деформации и исключает распространение давления на еще не имеющийся в полости кристаллизатора жидкий металл.To provide 0.2-0.3 · 10-5 mm in the mold. Hg in the process of pouring liquid metal in an automatic reprogrammable complex, an autonomous vacuum system is provided, which is a vacuum pump, a vacuum receiver, a nozzle, etc., providing a specified value of the discharge during the entire process. The difference in vacuum in the mold is 0.2-0.3 · 10-5 mm. Hg against 1 · 10-2 mm. Hg in the vacuum housing - induction furnace and airlock, it allows not only to increase and control the rate of filling of the mold with liquid metal, but also creates the conditions under which the mold is filled with liquid metal at a given speed in a smooth, continuous front, without spraying. The use of this method of pouring liquid metal into the mold allows you to obtain the desired desired properties not only in ingots, but also in products of complex shape, including hollow billets such as bushings, rings, etc., without the use of rods, the installation of which requires additional equipment . Pouring molten metal into the mold with a solid front provides the surface of the ingots / products, on which there was no waviness, burrs and other surface defects. In addition, the use of this method of pouring allows you to abandon the installation of pilots and profits, which significantly reduces the cost of their manufacture and installation and reduces the time of the process. Under these conditions, when the mold cavity is filled with liquid metal, then (with such a scheme and process parameters), the temperature distribution throughout the entire volume of the ingot / product occurs uniformly. Thus, favorable conditions are created for applying pressure on the liquid, and not on the crystallizing, and especially not on the already crystallized (solid) metal. The crystallized metal has an order of magnitude higher resistance to deformation and eliminates the spread of pressure on the liquid metal that is not yet in the cavity of the crystallizer.

Управление работой гидросистемы осуществляется с пульта управления в автоматическом режиме от системы управления. С помощью прикладной программы фиксируется режим управления кристаллизацией, а значения и изменения параметров от времени процесса отражаются на осциллограмме. Для наложения на расплавленный металл давления по некоторому закону в управляющей программе предусмотрена возможность управления параметрами широко-импульсной модуляцией электрического сигнала на дискретный электромагнитный клапан пресса. Данный принцип управления обеспечивает широкие пределы регулирования, как по давлению, так и по времени его поддержания, позволяет эффективно использовать возможности программирования без включения в гидросистему обычно применяемых дополнительных элементов: объемных или дискретных регуляторов.The hydraulic system is controlled from the control panel in automatic mode from the control system. Using the application program, the crystallization control mode is fixed, and the values and parameter changes from the process time are reflected in the oscillogram. To apply pressure to the molten metal according to some law, the control program provides the ability to control the parameters of wide-pulse modulation of the electrical signal to a discrete electromagnetic valve of the press. This control principle provides wide control limits, both in pressure and in the time it is maintained, and allows you to effectively use programming capabilities without including commonly used additional elements in the hydraulic system: volumetric or discrete regulators.

Существенной особенностью системы является наличие обратных связей в виде блоков коррекции, обеспечивающих генерацию новых знаний о сложных процессах взаимного расположения, взаимодействия, упаковки атомов, рассеяния энергии на колебаниях кристаллической решетки и др.An essential feature of the system is the presence of feedbacks in the form of correction blocks that provide the generation of new knowledge about the complex processes of mutual arrangement, interaction, packing of atoms, energy dissipation on vibrations of the crystal lattice, etc.

Автоматическое управление давлением и соответственно перемещением исполнительного органа гидропривода - плунжером происходит таким образом, чтобы его ход отвечал задачам, который решает процесс, обеспечивающий получение более высокого уровня механических свойств слитков/изделий, путем формирования фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций.Automatic control of the pressure and, accordingly, the movement of the hydraulic actuator's executive body by the plunger takes place in such a way that its stroke meets the tasks that solve the process, which ensures obtaining a higher level of mechanical properties of the ingots / products by forming fragments of the nanostructure from individual atoms and associations.

В результате использована структура управления, принадлежащая к классу самонастраивающихся систем с математической моделью, имеющую обратные связи: основную по температуре (скорости охлаждения) и внутреннюю корректирующую связь по положению. С помощью функции управления определяется требуемое управляющее воздействие усилия гидропривода, которое преобразуется в необходимую величину перемещения плунжеров. В связи с этим гидропривод, используемый для наложения давления на жидкий металл, помимо статических (развиваемое усилие, жесткость) и динамических (устойчивость, точность, качество переходного процесса) характеристик должен отвечать требованиям, управлению законом развиваемого усилия и скорости перемещения. К числу параметров, определяющих усилие и скорость перемещения плунжеров, относится давление в рабочей полости цилиндров и полости слива, масса движущихся частей, силы трения, площади поршня в напорной и сливной плоскостях.As a result, we used a control structure belonging to the class of self-tuning systems with a mathematical model that has feedbacks: the main one in temperature (cooling rate) and the internal corrective relationship in position. Using the control function, the required control action of the hydraulic drive force is determined, which is converted into the necessary amount of movement of the plungers. In this regard, the hydraulic drive used to apply pressure on the molten metal, in addition to the static (developed force, stiffness) and dynamic (stability, accuracy, transient quality) characteristics, must meet the requirements of the law of the developed force and speed of movement. Among the parameters that determine the force and speed of movement of the plungers are the pressure in the working cavity of the cylinders and the drain cavity, the mass of the moving parts, the friction force, the piston area in the pressure and discharge planes.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематически представлена схема автоматического перепрограммируемого комплекса, а на фиг.2 и фиг.3 представлена схема узла прессования с различными кристаллизаторами.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 schematically shows a diagram of an automatic reprogrammable complex, and Figs. 2 and 3 show a diagram of a pressing unit with various molds.

Устройство для осуществления предложенного способа содержит Вакуумную индукционную печь 1, находящуюся в герметичной камере 2, где в плавильном тигле расплавляют металл до заданной температуры, которую измеряют погружной термопарой 3. Герметичная камера 2 вакуумной индукционной печи 1 посредством шлюзовой камеры 4 соединена с полостью 5 кристаллизатора 6. Шлюзовая камера имеет две вакуумные шиберные задвижки одна 7 в месте соединения шлюзовой камеры с вакуумной индукционной печью и вторая 8 в месте соединения шлюзовой камеры с кристаллизатором. Кристаллизатор 6 оснащен автономной вакуумной системой 9. Кристаллизатор 6 размещается в гидравлическом прессе 10 и закрепляется между подвижной 11 и неподвижной 12 плитами корпуса пресса. После установки кристаллизатора, соосно его оси вращения настраиваются два встречно расположенных встроенных гидроцилиндров 13, 14. Для достижения широкого диапазона варьирования кинематическими и силовыми параметрами пресс дополнительно оснащен двумя телескопическими гидроцилиндрами 15, 16, которые запрессованы в неподвижную плиту 17, и обеспечивают передвижение подвижной плиты 11, которая перемещается на любом отрезке времени и создает постоянное усилие 3МН. Все гидроцилиндры 13, 14, 15, 16 унифицированы по внутреннему диаметру, что обеспечивает изостатическое равномерное сжатие жидкого металла. Ход поршня гидроцилиндра 15 и ход силового штока гидроцилиндра 16 равно 250 мм. Плита пресса 11 оснащена усиленной направляющей в виде блока, в состав которого наряду с плитой 17 входит промежуточная опорная плита 18. Необходимую жесткость конструкции придает встроенный гидроцилиндр 13. Усилие прикладывается к подвижной плите 11, которая находится между двух неподвижных плит 12, 17, стянутых колонами 19. Основной гидроцилиндр 16 для перемещения подвижной плиты 11 и создания на жидкий металл всестороннего изостатического давления, запрессован в плиту 17 и имеет правую и левую рабочие полости. При этом в правой рабочей полости установлен рабочий поршень, который связан опорной плитой 18, а в левой смонтирован поршень со штоком 20 гидроцилиндра мультипликатора. Для включения в работу мультипликатора предусмотрено перекрывание гидравлической магистрали с помощью специального клапана высокого давления 21. В неподвижной плите 12 установлен вспомогательный гидроцилиндр 14 (гидроцилиндр прессования), поршень и шток 22, которого связаны с одной из формообразующих частей технологической оснастки или выталкивателем слитка/изделия. Для наложения давления по рассчитанному для каждого вида сплава закону используется информационно измерительная система 23, входящая в систему супервизорного управления 24 технологическим процессом.A device for implementing the proposed method comprises a vacuum induction furnace 1 located in a sealed chamber 2, where the metal is melted in a melting crucible to a predetermined temperature, which is measured by an immersion thermocouple 3. The sealed chamber 2 of the vacuum induction furnace 1 is connected to the cavity 5 of the mold 6 through a lock chamber 4 The airlock has two vacuum gate valves, one 7 at the junction of the airlock with a vacuum induction furnace and a second 8 at the junction of the airlock with crystallization torus. The mold 6 is equipped with an autonomous vacuum system 9. The mold 6 is placed in the hydraulic press 10 and is fixed between the movable 11 and the fixed 12 plates of the press body. After the crystallizer is installed, two counter-mounted integrated hydraulic cylinders 13, 14 are aligned with its rotation axis. To achieve a wide range of kinematic and power parameters variation, the press is additionally equipped with two telescopic hydraulic cylinders 15, 16, which are pressed into the fixed plate 17, and provide movement of the movable plate 11 , which moves over any length of time and creates a constant force of 3MN. All hydraulic cylinders 13, 14, 15, 16 are unified by the inner diameter, which ensures isostatic uniform compression of the liquid metal. The stroke of the piston of the hydraulic cylinder 15 and the stroke of the power rod of the hydraulic cylinder 16 is 250 mm. The press plate 11 is equipped with a reinforced guide in the form of a block, which along with the plate 17 includes an intermediate support plate 18. The required structural rigidity is given by the built-in hydraulic cylinder 13. The force is applied to the movable plate 11, which is located between two fixed plates 12, 17, tightened by columns 19. The main hydraulic cylinder 16 for moving the movable plate 11 and create a comprehensive isostatic pressure on the molten metal, is pressed into the plate 17 and has a right and left working cavity. At the same time, a working piston is installed in the right working cavity, which is connected by a support plate 18, and in the left the piston is mounted with the rod 20 of the multiplier hydraulic cylinder. To enable the multiplier to operate, the hydraulic line is shut off using a special high-pressure valve 21. An auxiliary hydraulic cylinder 14 (pressing cylinder), a piston and a rod 22, which is connected to one of the forming parts of the technological equipment or the ingot / product ejector, are installed in the fixed plate 12. To apply pressure according to the law calculated for each type of alloy, an information-measuring system 23 is used, which is part of the supervisory control system 24 of the technological process.

Фиг.2 - Устройство для получения слитков, отличающееся тем, что внутренняя полость 5 кристаллизатора 6 имеет форму слитка. А на Фиг.3 - Устройство для получения колец отличающееся тем, что внутренняя полость 5 кристаллизатора 6 имеет форму кольца, для получения которого штоки гидроцилиндров 13, 14 оснащены конусными подпятниками 25.Figure 2 - Device for producing ingots, characterized in that the inner cavity 5 of the mold 6 is in the form of an ingot. And figure 3 - a device for producing rings characterized in that the inner cavity 5 of the mold 6 has the shape of a ring, for which the rods of the hydraulic cylinders 13, 14 are equipped with conical thrust bearings 25.

Таким образом, устройство позволяет получать различные изделия не меняя принципиальную схему технологического процесса, заменяя только кристаллизатор, и используя подпятники различной конфигурации, которые являются съемной оснасткой.Thus, the device allows you to get various products without changing the schematic diagram of the technological process, replacing only the mold, and using thrust bearings of various configurations, which are removable equipment.

Устройство работает следующим образом. Металл расплавляют в вакуумной индукционной печи 1 и ведут плавку в соответствии с технологической инструкцией, отвечающей составу расплавляемого сплава. Жидкий расплав доводят до температуры, которая контролируется термопарой погружения 3, величина которой на 150-200 по Цельсию выше температуры ликвидус сплава. После чего открывают вакуумную шиберную заглушку 6 шлюзовой камеры 4, которая вакуумно-плотно смонтирована с отверстием в днище камеры 2 вакуумной индукционной печи. Затем производится вакуумирование пространства камеры 2 вакуумной индукционной печи и шлюзовой камеры 4 до разряжения 1·10-2 мм рт.ст. Одновременно осуществляется вакуумирование полости 5 кристаллизатора 6, установленного в прессе между подвижной 11 и неподвижной 12 плитами, до разряжения 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., с использованием автономной вакуумной системой 9. При достижении вакуума в полости 5 кристаллизатора 6 требуемой величины, открывается вакуумная шиберная заглушка 8 шлюзовой камеры 4, соединенной с полостью 5 кристаллизатора 6. После заливки дозируемого количества жидкого металла вакуумная шиберная заглушка 8 движением плунжера перекрывается. Одновременно, с включением плунжера, обеспечивающего герметизацию полости кристаллизатора, в автоматическом режиме включается блок системы управления 24 работы гидросистемы пресса, в соответствие с заданной программой технологического процесса с использованием информационно измерительной системы 23. При этом давление одновременно подается в обе полости гидроцилиндров 15, 16 с последующим стравливанием жидкости на слив. Движением плунжеров гидроцилиндров 13, 14 навстречу друг другу обеспечивает возможность жидкого металла воспроизводить конфигурацию внутренней поверхности кристаллизатора. При этом, прессующие плунжера разгоняют жидкий металл до скорости, при которой достигается гидравлическое сопротивление. Далее включается плунжер гидроцилиндра 15 мультипликатора и давление продолжают наращивать по заданной программе, при этом технологический процесс подачи давления имеет непрерывный характер. Типичный график изменения коэффициента сжимаемости жидкого (до т. R) металла и металла имеющего упорядоченные кластеры, от времени приведен на фиг.4, который подтверждает, что процесс осуществляется в два этапа:The device operates as follows. The metal is melted in a vacuum induction furnace 1 and melted in accordance with the technological instruction corresponding to the composition of the molten alloy. The liquid melt is brought to a temperature that is controlled by immersion thermocouple 3, the value of which is 150-200 Celsius above the liquidus temperature of the alloy. Then open the vacuum shutter plug 6 of the lock chamber 4, which is vacuum-tightly mounted with a hole in the bottom of the chamber 2 of the vacuum induction furnace. Then, the space of the chamber 2 of the vacuum induction furnace and the lock chamber 4 is evacuated to a vacuum of 1 · 10-2 mm Hg At the same time, the cavity 5 of the mold 6 is evacuated, installed in the press between the movable 11 and the stationary 12 plates, to a vacuum of 0.2-0.3 · 10-5 mm Hg, using an autonomous vacuum system 9. When the vacuum in the cavity is reached 5 of the mold 6 of the required size, the vacuum shutter plug 8 of the lock chamber 4 is opened, connected to the cavity 5 of the mold 6. After pouring the dosed amount of liquid metal, the vacuum shutter plug 8 is closed by the movement of the plunger. At the same time, with the inclusion of a plunger that provides sealing of the mold cavity, the control unit 24 of the hydraulic system of the press is automatically turned on, in accordance with a predetermined process program using the information-measuring system 23. At the same time, pressure is simultaneously supplied to both cavity of the hydraulic cylinders 15, 16 s subsequent bleeding fluid to drain. The movement of the plungers of the hydraulic cylinders 13, 14 towards each other provides the ability of liquid metal to reproduce the configuration of the inner surface of the mold. In this case, the pressing plunger accelerates the liquid metal to a speed at which hydraulic resistance is achieved. Next, the plunger of the hydraulic cylinder 15 of the multiplier is turned on and the pressure continues to increase according to a predetermined program, while the pressure supply process is continuous. A typical graph of changes in the compressibility coefficient of a liquid (up to R) metal and a metal having ordered clusters is shown in Fig. 4 from time to time, which confirms that the process is carried out in two stages:

1 этап - сжатие жидкого металла;Stage 1 - compression of liquid metal;

2 этап - сжатие жидкого упорядоченного кластерами металла.Stage 2 - compression of a liquid ordered by metal clusters.

На первом этапе давление на жидкий на металл достигает 300-400 МПа при скорости более 40 МПа/с и сжимается жидкий металл на 10%, после точки перегиба (R) давление с той же скоростью нарастает (>500 МПа) и только при этом давлении возможно изостатическое всестороннее сжатие жидкого металла, приводящая к созданию дальнего порядка в жидком металле. При этом в точке R коэффициент ε≥10%, что значительно выше объемной усадки; за точкой перегиба прирост ε=2,4…2,8%.At the first stage, the pressure on the liquid metal reaches 300-400 MPa at a speed of more than 40 MPa / s and the liquid metal is compressed by 10%, after the inflection point (R), the pressure increases at the same speed (> 500 MPa) and only at this pressure possibly isostatic comprehensive compression of the liquid metal, leading to the creation of long-range order in the liquid metal. Moreover, at the point R, the coefficient ε≥10%, which is significantly higher than the volumetric shrinkage; beyond the inflection point, the increase is ε = 2.4 ... 2.8%.

При достижении соответствующей величины давления >500 МПа, поддерживается заданный уровень давления в течение 10-12 с, после чего не снимая давления, производят охлаждение металла в кристаллизаторе 6 до температуры 100-150 градусов по Цельсию. Затем давление снимается, кристаллизатор 6 вынимают из пресса, и закристаллизовавшийся металл вынимают из кристаллизатора.Upon reaching an appropriate pressure value> 500 MPa, a predetermined pressure level is maintained for 10-12 s, after which, without removing pressure, the metal in the mold 6 is cooled to a temperature of 100-150 degrees Celsius. Then the pressure is removed, the mold 6 is removed from the press, and the crystallized metal is removed from the mold.

Таким образом, качество изделий и заготовок определяется процессом конструирования, сборки из отдельных атомов кластеров, кристаллов, квазикристаллов, аморфных и квазиаморфных структур на основе управления поведением отдельных атомов и всех атомов одновременно в условиях программно-методического наложения изостатического давления на расплавленный металл этим и достигается улучшение качества целевого продукта.Thus, the quality of products and workpieces is determined by the process of designing, assembling from separate atoms of clusters, crystals, quasicrystals, amorphous and quasamorphic structures based on controlling the behavior of individual atoms and all atoms at the same time under conditions of programmatic methodological application of isostatic pressure on the molten metal, and this improves quality of the target product.

Способ поясняется следующими примерами.The method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Для управления процессом кристаллизации сплава слитки (размером ⌀80×160 мм) из сплава алюминия марки В95 (система Al-Zn-Mg-Cu) изготавливали в кристаллизаторе с применением предлагаемого способа по схеме приведенной на фиг.1, с использованием кристаллизатора представленного на фиг.2.Example 1. To control the crystallization process of an alloy of an ingot (size ⌀80 × 160 mm) from an aluminum alloy of grade B95 (Al-Zn-Mg-Cu system) was made in a mold using the proposed method according to the scheme shown in Fig. 1, using a mold presented in figure 2.

Выплавку сплава осуществляли в индукционной печи мощностью 50 кВт в атмосфере аргона, с последующим вакуумированием жидкого металла в тигле индукционной печи при разрешении 1·10-2 мм рт.ст. Так как принципиальное значение имеет температура заливаемого металла и температуры формы перед заливкой, то их измерение имело важное значение. По ходу плавки температуру металла контролировали хромель-алюмелевой термопарой погружения и прибором КСП-4 с точностью ±5К. Сплав перегревали до 850°С, проводили термовременную обработку расплава в течение 15 мин, после чего металл через шлюз заливали в кристаллизатор, вакуумированный до разрешения 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., предварительно нагретый до 300°С. Заливку формы металлом осуществляли через шлюзовую камеру чашу в течение 3…5 с. В результате металл заполняет кристаллизатор и в силу перемешивания струи за счет большой скорости заливки (в течение 3…5 с) снижается не более чем на 30 К, так что в момент окончания заполнения полости формы перед наложением давления перегрев металла составляет 200±10 К. Указанной величины перегрев необходим для того, чтобы расплавленный металл перед наложением давления представлял собой однофазную систему - раствор гомогенной концентрации с явно выраженными свойствами жидкости, которая, как известно, передает давление равномерно во всех направлениях.The alloy was smelted in an induction furnace with a capacity of 50 kW in an argon atmosphere, followed by evacuation of liquid metal in a crucible of an induction furnace with a resolution of 1 × 10–2 mm Hg. Since the temperature of the metal being poured and the temperature of the mold before casting is of fundamental importance, their measurement was important. During melting, the metal temperature was controlled by a chromel-alumel immersion thermocouple and a KSP-4 device with an accuracy of ± 5K. The alloy was overheated to 850 ° C, thermal treatment of the melt was carried out for 15 minutes, after which the metal was poured through a lock into a crystallizer, vacuumized to a resolution of 0.2-0.3 · 10-5 mm Hg, preheated to 300 ° FROM. The mold was poured with metal through the lock chamber of the bowl for 3 ... 5 s. As a result, the metal fills the mold and, due to the mixing of the jet due to the high pouring speed (within 3 ... 5 s), decreases by no more than 30 K, so that at the moment of filling the mold cavity before applying pressure, the metal overheating is 200 ± 10 K. The specified value of overheating is necessary so that the molten metal before applying pressure is a single-phase system - a solution of homogeneous concentration with clearly expressed properties of a liquid, which, as you know, transfers pressure uniformly in all n directions.

Скорость наложения давления и максимальную величину давления выбирали по результатам предварительных исследований исходя из зависимости коэффициента относительной сжимаемости сплава от давления и времени.The pressure application rate and the maximum pressure value were selected according to the results of preliminary studies based on the dependence of the relative compressibility coefficient of the alloy on pressure and time.

Для сплава В95 необходимо наложить давление р=450 МПа (т. R), при котором относительное уменьшение объема жидкого металла составляет 12%. В т. R фиксируется качественно новое состояние металла, когда, с одной стороны, перегрев над линией ликвидус составляет ~200 К, а, с другой стороны, межатомные расстояния в твердом состоянии атомы теряют подвижность, по мере приближения к т. R происходит резкое повышение вязкости расплава.For alloy B95, it is necessary to apply a pressure p = 450 MPa (t. R), at which the relative decrease in the volume of liquid metal is 12%. In r. R, a qualitatively new state of the metal is recorded, when, on the one hand, overheating over the liquidus line is ~ 200 K, and, on the other hand, the interatomic distances in the solid state, the atoms lose their mobility, as they approach r. melt viscosity.

Это состояние можно назвать квазитвердым состоянием. В квазитвердом состоянии атомы зафиксированы в тех положениях, в которых они находились до наложения давления, их диффузия затруднена, так как междоузлия, вакансии, дислокации и др. дефекты упаковки атомов при достигнутой степени сжимаемости не обладают требуемой пропускной способностью.This state can be called a quasi-solid state. In a quasi-solid state, atoms are fixed in those positions in which they were before pressure was applied, their diffusion is difficult, since interstitial sites, vacancies, dislocations, and other stacking defects of atoms at the achieved degree of compressibility do not have the required throughput.

Для того, чтобы квазитвердое состояние создать гарантировано, давление р=450 МПа накладывали в течение 5 с, т.е. со скоростью v=90 МПа/с.In order to create a quasisolid state, pressure p = 450 MPa was applied for 5 s, i.e. with a speed of v = 90 MPa / s.

В дальнейшем давление повышали до р=500 МПа в течение времени, пока температура металла не понизится до температуры не достигла солидус. В данном случае этот отрезок времени составляет 23 с, так что скорость нарастания давления составляет ~2,16 МПа/с.Subsequently, the pressure was increased to p = 500 MPa over time, until the metal temperature drops to a temperature of solidus. In this case, this period of time is 23 s, so the rate of increase in pressure is ~ 2.16 MPa / s.

Эта стадия связана с дальнейшим сближением атомов в условиях снижения температуры, когда сопротивление более плотному расположению атомов возрастает и для его преодоления требуется давление ≥500 МПа.This stage is associated with a further approach of atoms under conditions of a decrease in temperature, when the resistance to a denser arrangement of atoms increases and to overcome it requires a pressure of ≥500 MPa.

Когда температура в тепловом центре слитка достигло значения ниже температуры 150-200°С, давление сняли, плунжеры отвели в исходное положение. Форму раскрыли, слиток извлекли из формы и охладили до цеховой температурыWhen the temperature in the thermal center of the ingot reached a value below 150-200 ° C, the pressure was removed, the plungers were returned to their original position. The mold was opened, the ingot was removed from the mold and cooled to workshop temperature.

По результаты анализа структуры слитка сплава В 95, выполненного с помощью растровой электронной микроскопии, установлено, что структура сплава полученного по предлагаемому способу (фиг.5) представляет собой твердый раствор упрочненный квазикристаллами (A16Mn, A181Mn19) с размером менее 100 нм. При этом сплав имеет более высокую плотность, и более высокий уровень механических свойств (Таблица 2).According to the results of the analysis of the structure of the ingot of alloy B 95, performed using scanning electron microscopy, it was found that the structure of the alloy obtained by the proposed method (Fig. 5) is a solid solution hardened with quasicrystals (A16Mn, A181Mn19) with a size of less than 100 nm. Moreover, the alloy has a higher density, and a higher level of mechanical properties (Table 2).

Таблица 2.Table 2. Марка сплаваAlloy grade СпособWay СвойстваThe properties Твердость, HVHardness, hv σВ, МПаσВ, MPa Модуль Юнга, (Е), ГПаYoung's modulus, (E), GPa Плотность, г/см2Density, g / cm2 В 95At 95 известныйfamous 140140 600600 72,0072.00 2,852.85 предлагаемыйproposed 180180 710710 96,0096.00 2,982.98

Пример 2. При изготовлении разгонных дисков сепаратора из сплава БрОФС 13-2-2 (Cu-13%Sn-2%P-2%Pb) использовался специальный кристаллизатор, состоящий из 4 частей.Example 2. In the manufacture of accelerating disks of the separator from BrOFS 13-2-2 alloy (Cu-13% Sn-2% P-2% Pb), a special crystallizer consisting of 4 parts was used.

Принципиальная схема процесса формирования нанокристаллической структуры при производстве разгонных дисков приведена на фиг.1, с использованием кристаллизатора представленного на фиг.3.Schematic diagram of the process of forming a nanocrystalline structure in the production of accelerating disks is shown in figure 1, using the mold shown in figure 3.

Расплавленный металл перед заливкой подвергали вакуумированию в тигле индукционной печи при разрешении 1·10-2 мм рт.ст., выполняющим модифицирующие и рафинирующие функции. Температуру заливки контролировали термопарой погружения типа ХА с открытым спаем. Температуру формы измеряли в процессе нагрева газовой горелкой встроенной термопарой, пирометром Raynger 3i, а также тепловизором Therma Cam TM S65 (производство Швеция).Before casting, the molten metal was evacuated in a crucible of an induction furnace with a resolution of 1 × 10–2 mm Hg, which performs modifying and refining functions. The pouring temperature was controlled by an open junction type XA thermocouple. The mold temperature was measured during heating by a gas burner with an integrated thermocouple, a Raynger 3i pyrometer, and a Therma Cam TM S65 thermal imager (manufactured in Sweden).

Приготовленный расплав через шлюзовую камеру заливался в полость предварительно вакуумированного (до разрешения 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст.) кристаллизатора, образованного формообразующими поверхностями матриц 2 и камер прессования 3 соответственно слева и справа. Во время заливки в левую чашу прессующий плунжер 1 отводился влево, открывая заливочное отверстие. По мере заполнения формы металлом и правый плунжер отводился так, чтобы, не допустить попадание воздуха, открытия отверстия и переливание металла в правую чашу. Это обеспечивало выравнивание температуры заливаемого металла. Применительно к сплаву БрОФС 13-2-2 согласно зависимости относительной сжимаемости от давления и времени использовались следующие параметры:The prepared melt was poured through the lock chamber into the cavity of the previously evacuated (up to a resolution of 0.2-0.3 · 10-5 mm Hg) mold formed by the forming surfaces of the dies 2 and pressing chambers 3, respectively, to the left and to the right. During pouring into the left bowl, the pressing plunger 1 was diverted to the left, opening the filling hole. As the mold was filled with metal, the right plunger was diverted so as to prevent air from entering, opening the hole and pouring metal into the right bowl. This provided equalization of the temperature of the poured metal. In relation to the BrOFS 13-2-2 alloy, according to the dependence of relative compressibility on pressure and time, the following parameters were used:

- температура заливаемого металла - 1250°С;- temperature of the poured metal - 1250 ° C;

- давление на кристаллизующийся металл - 450 МПа;- pressure on crystallizing metal - 450 MPa;

- скорость наложения давления 60 МПа/с;- pressure application rate of 60 MPa / s;

общее время наложения давления 35 с;total pressure application time 35 s;

- глубина вакуума в полости кристаллизатора перед заливкой металла 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст.- the depth of the vacuum in the cavity of the mold before pouring metal 0.2-0.3 · 10-5 mm RT.article

По результатам испытаний разгонных дисков, полученных с использованием предлагаемого способа твердость сплава увеличилась до 270 единиц против 125, а предел прочности достиг уровня 610 МПа, против 390 МПа. По результаты анализа структуры металла, изученного методом просвечивающей микроскопии, установлено, что структура сплава полученного по предлагаемому способу (фиг.6) представляет собой твердый раствор, содержащий аморфные частицы фосфористой меди равномерно распределенные по зерну и представляющие собой многоугольные частицы светлого света размером менее 100 нм.According to the test results of accelerating disks obtained using the proposed method, the alloy hardness increased to 270 units against 125, and the tensile strength reached 610 MPa, against 390 MPa. According to the results of the analysis of the structure of the metal studied by transmission microscopy, it was found that the structure of the alloy obtained by the proposed method (Fig.6) is a solid solution containing amorphous phosphorous copper particles uniformly distributed over the grain and representing polygonal particles of light light with a size of less than 100 nm .

Как видно из приведенных примеров и подтверждено результатами производственных испытаний, предлагаемый способ и устройство для его осуществления по сравнению с известными, включая прототип позволяет управлять кристаллизацией с целью получение более высокого уровня механических свойств слитков /изделий путем формирования фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций. Для его осуществление используется наложение изостатического давления более 500 МПа на весь объем кристаллизующегося метала вплоть до температуры охлаждения 150-200°С.As can be seen from the above examples and confirmed by the results of production tests, the proposed method and device for its implementation in comparison with the known ones, including the prototype allows you to control crystallization in order to obtain a higher level of mechanical properties of the ingots / products by forming fragments of the nanostructure from individual atoms and associations. For its implementation, an isostatic pressure of more than 500 MPa is applied to the entire volume of crystallized metal up to a cooling temperature of 150-200 ° C.

Новый способ является универсальным, так как пригоден для управления кристаллизацией жидкого металла сплавов различных систем. Видами положительного эффекта, производными от достигнутого технического решения является:The new method is universal, as it is suitable for controlling the crystallization of liquid metal alloys of various systems. Types of positive effect, derivatives of the achieved technical solution is:

- улучшению качества целевого продукта в отношении однородности структуры сплавов, повышения уровня механических свойств сплавов;- improving the quality of the target product with respect to the uniformity of the structure of the alloys, increasing the level of mechanical properties of the alloys;

- формирование фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций, с изменением микроструктуры целевого продукта;- the formation of fragments of the nanostructure from individual atoms and associations, with a change in the microstructure of the target product;

- технологический процесс, в котором давление эффективно используется для управления кристаллизацией;- a process in which pressure is effectively used to control crystallization;

- принципиальные подходы к теоретическому обоснованию режимов наложения давления на расплав непосредственно по фронту кристаллизации- principal approaches to the theoretical justification of the modes of applying pressure on the melt directly along the crystallization front

- приемы передачи механической энергии на кристаллизующийся металл, отработаны принципы проектирования, изготовления и использования соответствующего оборудования и оснастки.- methods of transferring mechanical energy to crystallizing metal, the principles of designing, manufacturing and using appropriate equipment and accessories have been worked out.

Claims (2)

1. Способ управления процессом кристаллизации металла, включающий нагрев металла до температуры выше ликвидуса, заливку жидкого металла в вакуумируемый кристаллизатор из вакуумной камеры, наложение давления на жидкий кристаллизующийся металл, уплотнение металла и выдержку под давлением, отличающийся тем, что кристаллизатор вакуумируют до величины 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., металл нагревают до температуры на 150-200°С выше ликвидуса, давление прилагают с его повышением со скоростью >40 МПа/с до величины 300-400 МПа, после сжатия металла на 10% повышают давление с той же скоростью до величины более 500 МПа и дополнительно уплотняют металл на 2,4-2,8%, при этом выдержку металла под давлением осуществляют до момента, когда металл охладится до 100-150°С.1. The method of controlling the process of crystallization of metal, including heating the metal to a temperature above liquidus, pouring liquid metal into the evacuated crystallizer from a vacuum chamber, applying pressure to the liquid crystallizing metal, sealing the metal and holding under pressure, characterized in that the mold is evacuated to a value of 0, 2-0.3 · 10 -5 mm Hg, the metal is heated to a temperature of 150-200 ° C above liquidus, the pressure is applied with its increase at a speed of> 40 MPa / s to a value of 300-400 MPa, after compression of the metal 10% increase yes Leniye at the same rate to a value of more than 500 MPa, and further compacted metal to 2.4-2.8%, while the metal exposure is carried out under pressure until the metal is cooled to 100-150 ° C. 2. Устройство для управления процессом кристаллизации металла, содержащее вакуумную индукционную печь с разрежением 1·10-5 мм рт.ст., цилиндрический контейнер с горизонтальным расположением оси, вакуумируемый до 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., гидравлический пресс, состоящий из двух гидроцилиндров, расположенных соосно с контейнером и развивающих каждый в отдельности усилие 0,3 МН, рассчитанное на перемещение пресс-плунжеров на 125 мм, гидроцилиндра замыкания, развивающего усилие 3 МН при ходе 250 мм, мультипликатора давления и клапана высокого давления, при этом пресс-плунжеры установлены с возможностью встречного перемещения вдоль оси контейнера для наложения давления на кристаллизующийся металл и всестороннего сжатия металла, выбираемого программой с учетом конкретных особенностей сплава и формы изделия и обеспечивающего уплотнение расплава металла на 12,4-12,8% при давлении более 500 МПа. 2. Device for controlling the process of crystallization of metal, containing a vacuum induction furnace with a vacuum of 1 · 10 -5 mm Hg, a cylindrical container with a horizontal axis, evacuated up to 0.2-0.3 · 10 -5 mm Hg ., a hydraulic press consisting of two hydraulic cylinders coaxially with the container and each developing a force of 0.3 MN individually, designed to move the press plungers by 125 mm, a closing hydraulic cylinder developing a force of 3 MN with a stroke of 250 mm, a pressure multiplier and high pressure valves and this press plungers are installed with the possibility of onward movement along the axis of the container for applying pressure on the crystallizing metal and comprehensive compression of the metal, selected by the program taking into account the specific characteristics of the alloy and the shape of the product and providing a melt seal by 12.4-12.8% at more than 500 MPa.
RU2011150667/02A 2011-12-14 2011-12-14 Method to control process of crystallisation and device for its realisation RU2516210C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011150667/02A RU2516210C2 (en) 2011-12-14 2011-12-14 Method to control process of crystallisation and device for its realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011150667/02A RU2516210C2 (en) 2011-12-14 2011-12-14 Method to control process of crystallisation and device for its realisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011150667A RU2011150667A (en) 2013-06-20
RU2516210C2 true RU2516210C2 (en) 2014-05-20

Family

ID=48785110

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011150667/02A RU2516210C2 (en) 2011-12-14 2011-12-14 Method to control process of crystallisation and device for its realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2516210C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2657668C2 (en) * 2016-05-20 2018-06-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method for controlling process of aluminium alloys crystalization during injection moulding
RU180716U1 (en) * 2017-08-21 2018-06-21 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "СофтАвтоматик" CRYSTALLIZING UNDER PRESSURE CASTING DEVICE
RU2771078C1 (en) * 2021-03-23 2022-04-26 Георгий Александрович Котов Method for controlling the process of producing workpieces of pistons of internal combustion engines from hypereutectic aluminium alloys
RU2780671C1 (en) * 2021-10-26 2022-09-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method for controlling the formation of physical and mechanical properties of aluminum alloys under pressure conditions prior to crystallization

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1219245A1 (en) * 1984-10-12 1986-03-23 Предприятие П/Я А-3681 Method of controlling crystallization of ingot in mould under vacuum
RU2111085C1 (en) * 1996-06-13 1998-05-20 Владимирский государственный технический университет Method of tool-making for hot and cold moulding and forging
RU2193945C2 (en) * 2000-05-30 2002-12-10 Коростелев Владимир Федорович Method for making metallic blanks by pressure die casting and apparatus for performing the same
RU2252108C2 (en) * 2002-08-05 2005-05-20 Владимирский Государственный Университет (ВлГУ) Pressure die casting method and apparatus for performing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1219245A1 (en) * 1984-10-12 1986-03-23 Предприятие П/Я А-3681 Method of controlling crystallization of ingot in mould under vacuum
RU2111085C1 (en) * 1996-06-13 1998-05-20 Владимирский государственный технический университет Method of tool-making for hot and cold moulding and forging
RU2193945C2 (en) * 2000-05-30 2002-12-10 Коростелев Владимир Федорович Method for making metallic blanks by pressure die casting and apparatus for performing the same
RU2252108C2 (en) * 2002-08-05 2005-05-20 Владимирский Государственный Университет (ВлГУ) Pressure die casting method and apparatus for performing the same

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2657668C2 (en) * 2016-05-20 2018-06-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method for controlling process of aluminium alloys crystalization during injection moulding
RU180716U1 (en) * 2017-08-21 2018-06-21 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "СофтАвтоматик" CRYSTALLIZING UNDER PRESSURE CASTING DEVICE
RU2771078C1 (en) * 2021-03-23 2022-04-26 Георгий Александрович Котов Method for controlling the process of producing workpieces of pistons of internal combustion engines from hypereutectic aluminium alloys
RU2780671C1 (en) * 2021-10-26 2022-09-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method for controlling the formation of physical and mechanical properties of aluminum alloys under pressure conditions prior to crystallization
RU2782190C1 (en) * 2022-05-18 2022-10-24 Общество с ограниченной ответственностью "НПП "СофтАвтоматик" Method for controlling the process of casting aluminum alloys with crystallization under pressure
RU2823407C1 (en) * 2024-03-14 2024-07-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Method of controlling crystallisation process in conditions of double-sided compression

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011150667A (en) 2013-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cavaliere et al. Spark plasma sintering: process fundamentals
KR102232632B1 (en) Method and device for producing a metal component by using a casting-and forming-tool
JP4657717B2 (en) Apparatus for producing a metal slurry material for use in semi-solid forming of formed parts
US5346184A (en) Method and apparatus for rapidly solidified ingot production
KR20040089135A (en) Semi-solid molding method
KR20000048339A (en) Die cast nickel base superalloy articles
CA2979561A1 (en) Methods for producing wrought products with internal passages
RU2516210C2 (en) Method to control process of crystallisation and device for its realisation
US6955532B2 (en) Method and apparatus for the manufacture of high temperature materials by combustion synthesis and semi-solid forming
WO2020018477A1 (en) Aluminum casting alloys
EP1132162B1 (en) Metal casting method and apparatus
RU2657668C2 (en) Method for controlling process of aluminium alloys crystalization during injection moulding
Wu et al. A micro-ultrasonic powder moulding method to fabricate Sn–Bi alloy micro parts
US8312913B2 (en) Casting process
DE3873994T2 (en) METHOD AND METHOD FOR METAL CASTING.
Luo et al. Effect of the pouring temperature by novel synchronous rolling-casting for metal on microstructure and properties of ZLl04 alloy
WO2005065866A1 (en) Method and apparatus for manufacturing forming material with spherical structure
Korostelev et al. Crystallization and rheological properties of alloys
EP1153151B1 (en) Die cast superalloy articles
RU2780671C1 (en) Method for controlling the formation of physical and mechanical properties of aluminum alloys under pressure conditions prior to crystallization
US7651657B2 (en) Manufacturing of controlled porosity metallic tools
RU2319577C2 (en) Method for producing cast products of metals and alloys
Korostelev et al. Automated Control of Hydraulic Drive for Acceleration
EP1633514B1 (en) Manufactruring of controlled porosity metallic tools
Mayakannan et al. Influence of process parameters on microhardness and porosity of Al 2024 microwave cast

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20170327

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171215