UA100518C2 - Спосіб приготування рідкотвердого металевого розплаву з виродженими дендритами - Google Patents

Abstract

Винахід належить до ливарного виробництва і стосується отримання рідкотвердого металевого розплаву з виродженими дендритами, який має реологічні властивості. Спосіб включає перемішування і термостатування розплаву до температури ліквідус одночасно індукційним струмом та електромагнітними силами, порушуваними в об'ємі розплаву в місткості магнітодинамічної установки, оснащеної електромагнітною системою, та наступне інтенсивне перемішування електромагнітними силами, створюваними додатковим зовнішнім індуктором магнітного поля, і доведення температури розплаву нижче температури ліквідус. Перемішування проводять під рівнем розплаву з регульованою потужністю. Технічний результат: рівномірно розподілені в об'ємі металу вироджені дендрити, висока продуктивність.

Description

Винахід належить до ливарного виробництва, а саме до отримання початкового металу з реологічними властивостями.

Відомо, що інтенсивне перемішування металевого розплаву при температурі нижче за температуру ліквідус сприяє подрібненню і глобуляризації зерна в литій заготовці.

Найпоширеніші процеси для прямого реолиття, як правило, включають механічне перемішування розплаву і подальше охолоджування та інтенсивне перемішування суміші до стану металевої суспензії.

Відомі способи отримання металевих суспензій з властивостями реологій шляхом дії модульованого у просторі магнітного поля (див. патенти Франції 2623210, МПК С22С1/00,

С22Е3МО2 і 2628994, МПК В22011/10, В22027/02). Магнітне поле, що обертається, створює зсовуючі напруги в сплаві, температура якого нижче за точку ліквідус. При цьому, для створення електромагнітних сил застосовують конструкцію з електромагнітів, що обертаються, або використовують магнітне поле змінного струму, що біжить, в стаціонарному магнітному сердечнику.

Тут інтенсивність перемішування - головний параметр для отримання потрібної структури.

Якщо зсовуючі зусилля прикладати до завершення кристалізації рідкої фази, спостерігається помітне оогрублення зерна. При сповільненій швидкості перемішування утворюється неоднорідна структура.

Недоліком такого технічного рішення є те, що гідродинаміка потоків в об'ємі і на периферії ванни розплаву істотно відрізняється, що не дозволяє отримати однакову структуру у всьому об'ємі металу.

Відомі способи приготування металевих суспензій з недендритною структурою зерна для безперервного лиття круглих злитків, труб і слябів, при реалізації яких застосовують інтенсивне електромагнітне перемішування металу безпосередньо перед кристалізатором (див. патент

США Мо2963758, МПК В220 11/115, В220 11/12Е і Ме4434837, Мпк В220 11/04, В220 11/00).

В реалізації цих технічних рішень закладений тривалий процес, що вимагає застосування декількох ливарних проміжних місткостей, в кожній з яких метал послідовно витримується з метою очищення від домішок і видалення надмірного тепла, витримується в інтервалі температур "ліквідус-солідус" до зародження твердої фази і інтенсивно перемішується

Зо електромагнітними силами по фронту кристалізації безпосередньо перед кристалізатором установки безперервного лиття заготовок.

Основним недоліком є швидкість відведення теплоти, оскільки це ключовий параметр для контролю мікроструктури, а засоби його здійснення малоефективні, необхідно також створювати спеціальні пристрої для виробництва електромагнітних сил.

Прототипом пропонованому способу є так званий "напівтвердий реокастинг" - "Безперервний процес формування рідкотвердого сплаву (або металевої суспензії) з недендритною структурою зерен" (див. патент США Ме3902544, МПК В22011/10, В220 1/00). На його основі компанія Ідга Ргіпсе іпс. (США) створила і освоїла у виробництві установку і сам процес реолиття відливків (див. також Ливарне виробництво, 2006 Мов, с. 15-17).

Суть цієї розробки полягає в тому, що графітний стрижень, охолоджуваний зсередини повітрям, занурюють в сплав, що знаходиться в керамічній чашці, доза якого відповідає деталі, що виготовляється. Обертання стрижня і його охолоджування викликають швидке утворення первинної твердої фази з тонкою оглобулярною структурою. В процесі подальшого безперервного охолоджування стрижня збільшується об'єм твердої фракції. Після закінчення процесу, коли досягнута задана кількість твердої фракції, металева суспензія передається в камеру пресування машини лиття під тиском або в камеру витримки для подальшого безперервного лиття, тиксолиття та реолиття.

Змінні параметри процесу, такі як кількість металу, початкова температура, температура графітного стрижня і задана кінцева температура, контролюються і управляються по алгоритму, закладеному в системі управління.

До небажаних моментів реалізації цього способу можна віднести наступні. Місткість підготовки розплаву складається з двох зон, що включають послідовність операцій: попередньої (нагрівання або охолоджування, тобто термостатування) і інтенсивного перемішування. Обидві зони повинні бути загерметизовані для усунення хаотичного попадання газів в зону інтенсивного перемішування. Кожна зона відкалібрована з урахуванням порції, відповідної деталі, що виготовляється, тобто весь процес зорієнтовано на видачу однієї порції, а час підготовки і видалення рідкотвердої суспензії із зони перемішування повинен співпадати з часом підготовки і швидкістю видачі розплаву в зону перемішування. Таким чином, продуктивність праці невисока і, звичайно ж, потрібно враховувати агресивність середовища бо для занурюваних перемішувачів, тобто контактний метод перемішування.

В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб приготування рідкотвердого металевого розплаву з глобулярною мікроструктурою (або виродженими дендритами), в якому відсутні відзначені в прототипі недоліки.

Поставлена задача вирішена тим, що в способі приготування рідкотвердого металевого розплаву з виродженими дендритами, який включає термостатування і активне перемішування розплавленого металу в місткості, згідно з винаходом, перемішування і термостатування до температури ліквідус проводять одночасно індукційним струмом і електромагнітними силами, порушуваними в об'ємі розплаву в місткості магнітодинамічної установки, оснащеної електромагнітною системою, а потім інтенсивно перемішують електромагнітними силами, створюваними додатковим перемішувачем у вигляді зовнішнього індуктора магнітного поля, і доводять температуру розплаву до заданої нижче температури ліквідус, при цьому перемішування проводять під рівнем розплаву з регульованою потужністю.

Таким чином, весь процес отримання сплаву проводять в одній місткості, а саме в установці, оснащеній електромагнітною системою, завдяки якій сплав перемішують в місткості, доводять до температури кристалізації і вирівнюють як температуру, так і розподіл твердої фази в усьому об'ємі установки. Подальше охолоджування розплаву регулюють за допомогою індукційних струмів індукторів установки, а інтенсивне перемішування, при якому створюються зрушуючі напруги для утворення глобулярних зерен, або так званих вироджених дендритів, проводять за допомогою додаткового зовнішнього перемішувача у вигляді індуктора магнітного поля. Інтенсивність перемішування регулюється і задається таким чином, що цілісність металевої плівки на дзеркалі металу в місткості не порушується, а це виключає окислення металу і дифузію в нього газів. Кількість готового сплаву залежить тільки від об'єму місткості установки, а спосіб перемішування металу, що використовується, - безконтактний. Необхідність застосування додаткового електромагнітного перемішувача у вигляді індуктора магнітного поля викликана тим, що при створенні необхідної інтенсивності перемішування за допомогою електромагнітної системи магнітодинамічної установки виділяється надмірна кількість теплової енергії, що не дозволяє термостатувати розплав в інтервалі між температурами солідус і ліквідує. Проте, при використовуванні додаткового електромагнітного перемішувача, який вносить в рідкий сплав незначну кількість додаткової теплової енергії, електромагнітна система

Зо магнітодинамічної установки виконує тільки функцію термостатування. Сукупне перемішування розплаву виключає наявність застійних зон в місткості установки, що дозволяє отримати однакову структуру в усьому об'ємі сплаву.

На кресленні представлена схема пристрою для реалізації способу, що заявляється.

Пристрій складається з індукційної канальної печі із залізним сердечником (а.с. 288183, МПК

НОБВ, 1970), наприклад, магнітодинамічної установки МДН-6 для підготовки і лиття алюмінієвих сплавів, яка включає тигель 1, Ш-подібний канал 2, електромагнітну систему з індукторами З і електромагнітом 4, додатковий електромагнітний перемішувач 5 у вигляді зовнішнього індуктора магнітного поля, термопару б, підключену до приладу 7, що регулює температуру алюмінієвого розплаву 8, яким заповнений тигель 1. Електромагнітні сили Їсм створюються в робочій зоні 9 при взаємодії електричного струму, генерованого в рідкому металі в каналі 2 установки, індукторами 3, з магнітним полем, створюваним електромагнітом 4.

Спосіб реалізується таким чином.

Тигель 1 заповнюють рідким сплавом 8 при температурі вище за температуру ліквідус.

Включають електромагнітну систему магнітодинамічної установки в режим, що забезпечує підтримку теплової рівноваги розплаву 8 при заданій кількості твердої фази в розплаві. При цьому, за допомогою індукційних струмів, створюваних індукторами З установки, регулюється температура металу і ступінь його переохолодження, а електромагнітними силами, що генеруються в робочій зоні 9 при взаємодії індукційного струму індукторів З і магнітного поля електромагніту 4, здійснюється вирівнювання температури і рівномірний розподіл твердої фази в рідкій. Стрілками 10 показано, як під дією електромагнітної сили Їсм, створюваної в робочій зоні 9, розплав циркулює по двох контурах індукційного Ш-подібного каналу 2: розплав входить із тигля 1 в бічні гілки каналу 2 і повертається в тигель 1 через центральну гілку каналу 2.

Досягши заданої температури розплаву, рівній температурі кристалізації, включають додатковий електромагнітний перемішувач (індуктор магнітного поля) 5. Автоматично за допомогою системи регулювання 6б,/ доводять температуру розплаву до заданої нижче температури ліквідус і продовжують інтенсивно перемішувати його електромагнітними силами, створеними додатковим перемішувачем 5, під рівнем розплаву. Оскільки при пониженні температури зростає в'язкість розплаву відповідно збільшують потужність додаткового електромагнітного перемішувача 5 і обробляють розплав 8 до моменту отримання глобулярної бо форми дендритів, що виділилися в розплаві. Стрілками 11 показано перемішування розплаву 8 в тиглі 1 під дією електромагнітних сил, що виникають при включенні додаткового перемішувача 5. Не відключаючи установку, тобто зберігаючи досягнутий стан розплаву, проводять його видачу для отримання реолиття.

Приклад конкретного виконання.

Тигель 1 магнітодинамичної установки МДН-б, прогрітий до температури 400-500 С, заповнюють алюмінієвим сплавом АК7 в кількості 300-600 кг при температурі, що перевищує температуру ліквідус на 30-40 "С, тобто 645-655 "С. Включають індуктори З на потужність близько 30 кВт і електромагніт 4 в режим, який забезпечує масову витрату розплаву 2-3 кг/сек. в затопленому струмені, тобто під рівнем металу, і в даному режимі витримують 20-30 хвил. для вирівнювання температурного поля рідкометалевої ванни і футеровки, а також відновлюють спочатку задану температуру 645-655 "С.

Далі перемикають індуктори на знижену потужність в 10-15 кВт, яка забезпечує термостатування розплаву при температурі на 5-10 "С нижче за температуру ліквідус, тобто знижують температуру до 615-625 "С і включають додатковий електромагнітний перемішувач 5 на потужність 12 кВт з поступовим підвищенням до 20 кВт у міру зростання в'язкості розплаву з пониженням температури. В режимі включеного додаткового перемішувача 5 електромагніт 4 перемикають в режим, який забезпечує масову витрату розплаву 0,5-1,0 кг/сек.

Інтенсивне перемішування алюмінієвого розплаву АК7 проводять протягом 10-15 хв. до появи приблизно 15-20 95 твердої фази і її рівномірного розподілу в об'ємі рідкометалевої ванни. Час підтримки металевої суспензії з заданими властивостями необмежений.

Таким чином, запропонований винахід дозволяє за один робочий цикл формування рідкотвердого розплаву виготовити велику кількість (до 600 кг) металевої суспензії з рівномірно розподіленими в її об'ємі виродженими дендритами.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб приготування рідкотвердого металевого розплаву з виродженими дендритами, що включає термостатування і активне перемішування розплавленого металу в місткості, який відрізняється тим, що перемішування і термостатування проводять до температури ліквідус Зо одночасно індукційним струмом і електромагнітними силами, порушуваними в об'ємі розплаву в місткості магнітодинамічної установки, оснащеної електромагнітною системою, а потім інтенсивно перемішують розплав електромагнітними силами, створюваними додатковим зовнішнім індуктором магнітного поля, і доводять температуру розплаву до заданої нижче температури ліквідус, при цьому, перемішування проводять під рівнем розплаву з регульованою потужністю.

   я М. / чи -В 7 Ї М |. чав чав щ-ч / вч - про ! пиши чи У С рез . Ко сльв, | Шо; . ! нт ЕВ то А х о З . ше ї чи У К-я А ТЯ 5.53. Є ч 9,01 б в ТЯ шшю ог т - ! З ва й / КУ