WO2009120107A1 - Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации - Google Patents
Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации Download PDFInfo
- Publication number
- WO2009120107A1 WO2009120107A1 PCT/RU2008/000633 RU2008000633W WO2009120107A1 WO 2009120107 A1 WO2009120107 A1 WO 2009120107A1 RU 2008000633 W RU2008000633 W RU 2008000633W WO 2009120107 A1 WO2009120107 A1 WO 2009120107A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- melt
- crystallization
- casting
- zone
- periphery
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
Definitions
- the invention relates to foundry, and more particularly, to methods for manufacturing castings by directional melt crystallization.
- More refractory inclusions at crystallization temperatures of the base metal have a stable crystalline structure, the atoms of which have the ability to “take away” part of the energy from the components of the melt in its local zones. This creates the conditions for the onset of crystallization in these zones.
- peripheral solid phase blocks the associated gas phase, contributing to the formation of shells, cracks, segregation, etc.
- the present invention is directed to solving the technical problem of creating a method for manufacturing castings in a mold by creating a crystallization front of a melt directed from a given point in the volume of the melt to the periphery of the casting, to increase the strength properties of the casting and to ensure its properties isotropic.
- the specified technical result is achieved by the method of manufacturing castings by the method of directed crystallization of the melt from a given point to the periphery, while the casting is formed in an uneven force field of the mold, which is created by ultrasonic vibrations focused at a given location of the melt to form a local zone of increased pressure and front direction in this place crystallization of the melt from this zone to the periphery of the casting.
- thermodynamic characteristics of the mold provide uniform volumetric cooling of the molten melt to the temperature of completion of the natural processes of crystallization of the melt as it cools. To achieve greater isotropic structure of the formed castings, such cooling is carried out at a rate of no higher than 0.5 ° C / s.
- the lifetime of the liquid phase of the melt is sufficient to complete directed crystallization from a given point of the melt to the periphery of the casting before the onset of natural processes of crystallization of the melt as it cools.
- the uneven force field is maintained until the temperature of completion of the natural processes of crystallization of the melt as it cools. After cooling the casting in the mold to the temperature of completion of the natural crystallization processes, the uneven force field is removed, and further cooling of the casting can be carried out at any speed.
- the present invention is illustrated by a specific example, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.
- FIG. 1 shows a model of the crystallization process, the first stage
- FIG. 2 - depicts a model of the crystallization process, the second stage
- FIG. 3 is a diagram of a pilot plant for ultrasonic melt processing
- FIG. 4 is a schematic diagram of a mold with ultrasonic emitters
- figure 5 diagram of the points of measurement of hardness of the casting.
- the method of directed crystallization is reduced to the realization of a physical phenomenon that allows one to controllably reduce the energy state of the melt to a level corresponding to the onset of crystallization.
- practically all methods of controlling crystallization processes have been reduced to influencing thermal processes in the melt.
- devices supporting certain temperature gradients in the melt were used as a control means.
- Directional heat of the selected intensity allows you to create preferred conditions for the onset of crystallization in a specific melt zone, which is the most common form of directional crystallization (HK). This option for producing HK is quite effective only for small castings.
- the present invention allows you to effectively organize the HK in the mold having a lining or heating, providing uniform volumetric (non-directional) cooling of the slightly superheated melt at a rate of not more than 0.5 ° C / sec.,
- a local zone of increased pressure initiating in this local zone the beginning of crystallization with the subsequent movement of the crystallization front from the center to the periphery of the casting.
- the superheat value ensures the existence time of the liquid phase of the melt sufficient for priority conducting organized directed crystallization before the onset of natural crystallization processes of the melt as it cools.
- Such a local zone with increased pressure can be formed using ultrasonic vibrations (ultrasonic vibrations), which are able to create pressure antinodes of standing waves in almost any material medium.
- U 2 A 2 sin [ ⁇ (t + ( ⁇ -d) / c) + q>] (2)
- Ai A 2 are the amplitudes of both ultrasonic vibrations (ultrasonic testing);
- C is the velocity of propagation of the ultrasonic wave in the melt;
- ⁇ is the circular frequency of the carrier oscillation of ultrasonic testing
- ⁇ is the initial phase;
- x is the distance between oncoming emitters;
- d is the distance between one emitter and the point of exposure.
- the last expression allows, adapting to the change in the ultrasonic propagation velocity during crystallization, to move its center to any zone of the casting volume. In this zone (standing antinode), with the help of ultrasonic testing of amplitudes Al and A2, pressure P develops, increasing the density p of the medium, maximum at point d.
- T ⁇ p p , T kp Po are the crystallization temperatures at pressures P 0 and P x , respectively;
- ⁇ is the derivative of dt / d ⁇ of the dependence
- T excellentp f (P).
- An analysis of dependence (4) shows that an increase in Px in the local zone of slightly superheated melt 1 leads, upon subsequent uniform cooling, to the preferred onset of crystallization (i.e., solidification) in this zone. It follows from this that the formed crystallization front will move from this zone to the rest of the melt.
- the model in question is illustrated in FIG.
- the artificially formed zone of increased pressure 2 (ZPD) in the melt 1 will act like a pump, "pumping" the liquid overheated melt through it until it crystallizes completely.
- the movement of the melt 1 during its cooling occurs until the contents of the lined crystallizer 3 become homogeneous. At this point, its viscosity will increase sharply.
- the second stage of the process is depicted in figure 2. It is characterized by the appearance of a crystallization front 4 (FC) in the ZPD 2, moving to the periphery of the crystallizer 3.
- FC crystallization front 4
- the melt was irradiated with sine wave signals of two radiation sources Ul and U2 (1) (2) with a controlled phase difference.
- the location of the ZPD (4) in the melt is determined by the initial phase difference (3) and during the experiment changed by 20 ... 30 mm, respectively, the place of formation of the shrink shell changed.
- the invention is implemented in a pilot foundry by conducting a series of castings followed by a study of the structure of the castings.
- a diagram of this installation is shown in FIG. 3.
- the installation includes a crystallized 3 lined to reduce the rate of volumetric cooling of the melt to values less than 0.5 ° C / sec. This limitation of the cooling rate, coupled with overheating of the melt poured into the crystallizer, is necessary to ensure the existence of the liquid phase of the melt sufficient for the priority conducting organized directed crystallization from a given point to the periphery before the onset of natural crystallization of the melt as it cools.
- Crystallizer 3 has the shape of an inverted truncated pyramid, where the molten aluminum alloy AL5E was poured, having a temperature of 20 - 25 ° C above the crystallization temperature Tcr.
- the meter temperature 7 issues a command to the generator 10 of ultrasonic vibrations.
- the generator 10 generates coherent signals Ul and U2, supplied to two ultrasonic emitters 9, acoustically connected to the non-lined sections of the walls of the mold 3 by means of concentrators 8, and the signals Ul and U2 are out of phase.
- the phase and amplitude of the signals Ul and U2 were determined using a two-beam oscilloscope 11 brand C12-69.
- the radiation frequency was determined by the frequency meter 12 43-38 and amounted to 65 kHz.
- the temperature was measured by platinum rhodium-platinum thermocouples 7 IS-1 and a KCP-4 device.
- plates made of PTC-19 ceramics 9 mm thick were used. Together with frequency-reducing plates and hubs 8, they worked in resonance mode at a frequency of 65 kHz.
- the hubs 8 were made in the form of a round rod with an exponential change in cross section.
- aluminum alloy castings ALEX were obtained.
- the melt was irradiated with focused interfering ultrasonic radiation, castings with pronounced large columnar crystals diverging as a fan to the periphery from one point were obtained. This point is the center of crystallization.
- a series of hardness measurements were made on the resulting castings. Layout of measuring points hardness is shown in figure 5, and the results for six samples are shown in table 1.
- the method allows organizing one crystallization front (in the center of the melt) moving to the periphery to remove unbound intermetallic compounds, organic and pseudo-organic inclusions on the surface of the casting, eliminate the causes of gas shells, hot cracks, which can be especially useful in the manufacture of large castings.
- the present invention can be used for the manufacture of any castings in molds of an appropriate design, providing the rate of natural cooling of the melts not higher than 0.5 ° C / sec, coupled with slight overheating the melt poured into the mold and the organization of directional crystallization from a given melt zone to the periphery in an uneven force field, which can significantly improve the quality of foundry semi-finished products and products.
- the invention can be most effectively used in the manufacture of large-sized ingots, which are subsequently used for rolling or as blanks for metal-working centers, as well as for producing shaped castings of any geometry.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Mold Materials And Core Materials (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Continuous Casting (AREA)
Abstract
Изобретение относится к литейному производству. Способ включает формирование отливки в кристаллизаторе, термодинамические характеристики которого обеспечивают объёмное, равномерное охлаждение расплава. Для достижения изотропности структуры отливки её формируют в неравномерном силовом поле, которое создают посредством ультразвуковых колебаний, сфокусированных в заданное место расплава для формирования в ней локальной зоны повышенного давления, образования центра кристаллизации и направления фронта кристаллизации от этой зоны к периферии отливки. Расплав перед заливкой в кристаллизатор перегревают на величину, которая в сочетании с термодинамическими характеристиками кристаллизатора, обеспечивает остывание расплава со скоростью не выше 0,5°C/c. По мере достижения температуры завершения естественных процессов кристаллизации, неравномерное силовое поле снимают. Данный способ обеспечивает изготовление отливок изотропной структуры с повышенными прочностными свойствами.
Description
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК МЕТОДОМ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ Изобретение относится к литейному производству, а более конкретно, к способам изготовления отливок методом направленной кристаллизации расплава.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Необходимость эффективного управления кристаллизацией металлического расплава в форме для получения отливок с приемлемыми для практики служебными свойствами заставляет ученых и инженеров изыскивать все новые решения с тем, чтобы радикально повысить качество отливок, так как именно на этапе формирования кристаллической структуры закладываются их основные служебные свойства.
До настоящего времени методы управления процессами, происходящими при кристаллизации металлических расплавов, сводились к воздействию на тепловые процессы, происходящие как внутри расплава, так и на границе теплообмена. При этом сформированная на периферии отливки двухфазная зона фронта кристаллизации при своем движении к центру все более затрудняет отбор скрытой теплоты, все более замедляет свое движение к центру, порождая градиентность величины зерна отливки и повышая за счет роста сжимающейся твердой фазы давление в расплаве, провоцируя выделение в расплав растворенных газов. Такая организация процесса кристаллизации достаточно неэффективна и приводит, в любом варианте, к появлению градиента крупности зерна отливки а значит и к анизотропии
свойств. Кроме того, в процессе осуществления кристаллизации методом теплоотбора неизбежно появление таких дефектов, как микро- и макропустоты, различные виды ликвации. Делаются попытки компенсировать недостатки структуры отливок получаемых существующим способом, когда кристаллизация расплава осуществляется от периферии к центру. В качестве примера можно привести способ, когда для формирования мелкой структуры расплав активизируется различными примесями, в основном, более тугоплавкими, частицы которых служат центрами кристаллизации. Удобнее всего механизм формирования центров кристаллизации рассматривать как работу «микpoxoлoдильникoв». Более тугоплавкие включения при температурах кристаллизации основного металла имеют устойчивую кристаллическую структуру, атомы которой имеют возможность «oтнять» часть энергии у составляющих расплава в локальных его зонах. Тем самым создаются условия для начала кристаллизации в этих зонах.
Аналогичный механизм кристаллизации имеет место в случае применения различных лигатур для «paзмнoжeния» их структуры в объеме расплава, что получило название «нacлeдcтвeннocть». Лигатуры независимо от способа приготовления получают достаточное измельчение собственной структуры и поэтому за счет больших поверхностей взаимодействия составляющих имеют температуру плавления несколько выше, чем основной сплав. В этой связи растворение частично расплавленной лигатуры в основном металле при определенно малых его перегревах приводит к возникновению дополнительных центров кристаллизации, как и в ранее описанном случае. Однако применение лигатур также как и введение модификатора для осуществления объемной
кристаллизации с целью получения измельченной структуры сопряжено с целым рядом осложнений. На получение заданной структуры огромное влияние оказывают различные процессы, такие как температурный режим, качество растворения, объемное распределение составляющих лигатур и ряд других факторов. В этом направлении ведется большое количество работ. Кроме того, осуществляют создание избыточного давления в расплаве, например, в газостате. В этом случае уменьшаются межатомные расстояния, увеличивается энергия взаимодействия. Однако так как во всех случаях избыточное давление создается во всем объеме расплава, а теплоотбор по-прежнему с поверхности, то фронт кристаллизации направлен от периферии к центру и возникают все пороки литья, характерные для известных способов. Единственным выигрышем данного способа является возможность лучшего заполнения формы и некоторое улучшение однородности структуры отливки.
Анализируя возникающие дефекты в ходе кристаллизации можно сделать вывод о том, что в конечном итоге они порождены способом ее организации за счет теплоотбора с поверхности отливки.
На самом деле, периферийная твердая фаза, также как и фронт кристаллизации блокируют сопутствующую газовую фазу, способствуя образованию раковин, трещин, ликвации и т.п.
Вместе с тем известен способ изготовления отливок путем направленной кристаллизации расплава (SU 1424952), заключающийся в том, что отливку формируют в неравномерном силовом поле вращающегося кристаллизатора, используя при этом объемное (ненаправленное) охлаждение расплава. Причем скорость
вращения кристаллизатора выбирают с учетом создания в расплаве давления, необходимого для формирования переохлаждения в расплаве, равного интервалу его метастабильности. В этих условиях при ненаправленном охлаждении расплава происходит его направленная кристаллизация от периферии к оси вращения кристаллизатора. Это осуществляется за счет увеличения температуры кристаллизации в результате воздействия давления, создаваемого в периферийных зонах расплава, более высокого по сравнению с давлением в зонах, близких к оси вращения кристаллизатора.
Однако для реализации этого способа необходимо создание высокого давления, что приводит к возможности разрушения литейной формы, в которой находится расплав.
Кроме того, постоянство скорости вращения кристаллизатора для обеспечения требуемого давления приводят к появлению анизотропии структуры и прочностных свойств отливки, так как перемещение фронта кристаллизации происходит в условиях непрерывно уменьшающегося переохлаждения в сторону оси вращения кристаллизатора. Имея в виду изложенное, можно сделать вывод, что возможность формирования локальной зоны повышенного давления в теле отливки позволила бы осуществлять эффективно управляемую кристаллизацию из этой зоны к периферии. Движение фронта кристаллизации из центра к периферии позволило бы отторгнуть на поверхность отливки газовые включения, несвязанные интерметаллы и исключить появление горячих трещин, раковин и т.д.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию способа изготовления отливок в кристаллизаторе путем создания фронта кристаллизации расплава направленного из заданной точки в объеме расплава к периферии отливки, для повышения прочностных свойств отливки и обеспечения изотропности ее свойств.
Указанный технический результат достигается способом изготовления отливок методом направленной кристаллизации расплава из заданной точки к периферии, при этом отливку формируют в неравномерном силовом поле кристаллизатора, которое создают посредством ультразвуковых колебаний, сфокусированных в заданное место расплава для формирования в этом месте локальной зоны повышенного давления и направления фронта кристаллизации расплава из этой зоны к периферии отливки.
Термодинамическими характеристиками кристаллизатора (его футеровкой и/или подогревом) обеспечивают равномерное объемное охлаждение залитого расплава до температуры завершения естественных процессов кристаллизации расплава по мере его остывания. Для достижения большей изотропности структуры формируемой отливки такое охлаждение осуществляют со скоростью не выше 0,5 °C/c.
Заданной величиной перегрева заливаемого в кристаллизатор расплава обеспечивают при объемном равномерном охлаждении со скоростью не более 0,5K/c время существования жидкой фазы расплава достаточное для завершения направленной кристаллизации из заданной точки расплава к периферии отливки
до наступления естественных процессов кристаллизации расплава по мере его остывания.
Неравномерное силовое поле сохраняют до температуры завершения естественных процессов кристаллизации расплава по мере его остывания. После остывания отливки в кристаллизаторе до температуры завершения естественных процессов кристаллизации неравномерное силовое поле снимают, и дальнейшее охлаждение отливки может осуществляться с любой скоростью. Указанные признаки являются существенными с образованием устойчивой совокупности признаков, достаточных для получения требуемого технического результата.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 изображена модель процесса кристаллизации, первая стадия; на фиг. 2 -изображена модель процесса кристаллизации, вторая стадия; на фиг. 3 - схема опытной установки для ультразвуковой обработки расплава; на фиг. 4 - принципиальная схема кристаллизатора с УЗ излучателями; на фиг.5 - схема точек замера твердости отливки.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В принципе, метод направленной кристаллизации (HK) сводится к реализации какого-либо физического явления, позволяющего управляемо уменьшить энергетическое состояние расплава до уровня, соответствующего началу кристаллизации. До настоящего времени, практически, все методы управления процессами кристаллизации сводились к воздействию на тепловые процессы в расплаве. При этом в качестве средства управления использовались устройства, поддерживающие определенные градиенты температуры в расплаве. Направленный выбранной интенсивности теплоотбор позволяет создать предпочтительные условия для начала кристаллизации в определенной зоне расплава, что и является наиболее распространенной формой получения направленной кристаллизации (HK). Этот вариант получения HK достаточно эффективно действует лишь при малых размерах отливок. Это вызвано тем обстоятельством, что температурное поле внутри расплава в ходе его затвердевания искажается при выделении скрытой теплоты кристаллизации, то есть она искажает (уменьшает) организованные в расплаве градиенты температуры. Более того движение фронта кристаллизации от периферии к центру отливки создает условия для формирования пустот и др. известных литейных дефектов ухудшающих структуру отливок. Предлагаемое изобретение позволяет эффективно организовать HK в изложнице имеющей футеровку или подогрев, обеспечивающих равномерное объемное (ненаправленное) охлаждение слабо перегретого расплава со скоростью не более 0,5 °C/ceк., путем создания в заданной точке объема расплава локальной зоны повышенного давления инициирующей в этой локальной зоне начало кристаллизации с
последующим движением фронта кристаллизации от центра к периферии отливки. При этом величина перегрева обеспечивает время существования жидкой фазы расплава достаточного для приоритетного проведения организованной направленной кристаллизации до наступления естественных процессов кристаллизации расплава по мере его остывания. Сформировать такую локальную зону с повышенным давлением можно с помощью ультразвуковых колебаний (УЗК), которые способны создавать пучности давления стоячих волн практически в любой материальной среде.
Для формирования такой зоны удобно воспользоваться пучностью давления двух сфокусированных интерферирующих когерентных колебаний, распространяющихся со скоростью Ui и U2 (см. схему на фиг.4): Ui = A! sin ω (t + d/c) (1)
U2 = A2 sin[ω (t + (χ-d)/c) + q> ] (2) где: Ai , A2 - амплитуды обоих УЗ колебаний (УЗК); с — скорость распространения ультразвуковой волны в расплаве; ω - круговая частота несущего колебания УЗК φ - начальная фаза; х - расстояние между встречно работающими излучателями; d - расстояние между одним излучателем и точкой облучения. t - текущее время. Если пренебречь затуханием УЗК в среде, условие получения в определенной зоне (стоячая волна) пучности давления выглядит следующим образом:
φ = [ω (2d - x)/c] - π (3)
Последнее выражение позволяет, адаптируясь к изменению скорости распространения УЗК в ходе кристаллизации, перемещать ее центр в любую зону объема отливки. В этой зоне (пучности стоячей волны) с помощью УЗК амплитуд Al и A2 развивается давление P, повышающее плотность р среды, максимальное в точке d.
Известно, что для большинства расплавов повышение давления при прочих разных условиях приводит к соответствующему увеличению исходной температуры кристаллизации
ΔTKp Pi = Tкp Po + Σz k=lαkPk k (4) где Tκp p , Tкp Po - температура кристаллизации соответственно при давлениях P0 и Px; α - производная dt/dР зависимости Tкp = f(P).
В общем случае, зависимость (4) может носить нелинейный характер, однако, с достаточной для практики степенью точности можно считать k =1. Анализ зависимости (4) показывает, что увеличение Px в локальной зоне слабо перегретого расплава 1 приводит при его последующем равномерном охлаждении к предпочтительному началу кристаллизации (то есть к отвердеванию) именно в этой зоне. Из этого следует, что сложившийся фронт кристаллизации будет перемещаться из этой зоны .в остальную часть расплава. Рассматриваемая модель иллюстрируется фиг.l. Искусственно сформированная зона повышенного давления 2 (ЗПД) в расплаве 1 будет действовать подобно насосу, "прокачивая" через себя жидкий перегретый расплав до его полной кристаллизации. Такое движение расплава обеспечивается тем, что в гравитационном поле земли
формирующиеся фрагменты кристаллических структур (в зоне повышенного давления), имея большую плотность, нежели окружающий расплав, оседают на дно кристаллизатора, активируя расплав и образуя между дном и ЗПД зону форсированной кристаллизации.
Движение расплава 1 при его охлаждении происходит до момента, когда содержимое футерованного кристаллизатора 3 стало однородным. В этот момент резко возрастет его вязкость. Таким образом, первая стадия процесса закончена. Вторая стадия процесса изображена на фиг.2. Она характеризуется возникновением фронта кристаллизации 4 (ФК) в ЗПД 2, движущегося к периферии кристаллизатора 3.
В ходе завершения образования твердой фазы над ЗПД 2 будет формироваться усадочная раковина 5 более утрированная, нежели при естественной кристаллизации. Перемещая ЗПД 2, можно менять место расположения усадочной раковины 5.
При отсутствии гравитации следует ожидать начало кристаллизации в ЗПД, при этом будет отсутствовать зона форсированной кристаллизации и первая стадия процесса. ЗПД 4 формируется в пучности давления интерферирующих ультразвуковых колебаний, сфокусированных в требуемое место расплава. В проведенном эксперименте расплав алюминия облучался через концентраторы, расположенные в торцах кристаллизатора. Следует, однако, отметить, что при облучении ультразвуком расплава кроме повышенного давления в ЗПД, очевидно, действовал еще один физический механизм. Электроны проводимости, двигаясь со скоростями выше скорости ультразвука, отдают ему часть своей кинетической энергии. В нашем случае, при организации "стоячей"
волны, переноса энергии ультразвуковых колебаний не происходит, и складываются условия для отбора кинетической энергии электронов расплава даже при его незначительном перегреве. Это, в свою очередь, приводит к общему понижению энергетического уровня расплава, т.е. к началу процесса кристаллизации.
В эксперименте расплав облучался сигналами синусоидальной формы двух источников излучения Ul и U2 (1) (2) с управляемой разностью фаз. Место расположения ЗПД (4) в расплаве определяется исходной разностью фаз (3) и в ходе эксперимента менялось на 20...30 мм, соответственно менялось место формирования усадочной раковины.
Изобретение реализовано на опытной литейной установке путем проведения серии отливок с последующим изучением структуры отливок. Схема данной установки представлена на фиг. 3. Установка включает в себя кристаллизатор 3 футерованный для снижения скорости объемного охлаждения расплава до значений меньше 0,5 °C/ceк. Такое ограничение скорости охлаждения вкупе с перегревом заливаемого в кристаллизатор расплава, необходимо для обеспечения времени существования жидкой фазы расплава, достаточного для приоритетного проведения организованной направленной кристаллизации из заданной точки к периферии до наступления естественных процессов кристаллизации расплава по мере его остывания. Кристаллизатор 3 имеет форму перевернутой усеченной пирамиды, куда заливался расплав алюминиевого сплава AЛ5E, имеющий температуру на 20 - 25 гр.С выше температуры кристаллизации Ткр. При охлаждении расплава до температуры превышающей его начало кристаллизации на 5-7 гр.С , измеритель
температуры 7 выдает команду на генератор 10 ультразвуковых колебаний. Генератор 10 формирует когерентные сигналы Ul и U2, поступающие на два ультразвуковых излучателя 9, акустически связанные с нефутерованными участками стенок кристаллизатора 3 посредством концентраторов 8, причем сигналы Ul и U2 противофазны. Размеры рабочей зоны кристаллизатора 3: длина между излучателями 9 200 мм, ширина 90 мм (литейные уклоны 5гp.), глубина 90мм. Фазность и амплитуда сигналов Ul и U2 определялась при помощи двулучевого осциллографа 11 марки C12-69. Частота излучений определялась частотомером 12 43-38 и составляла 65 кГц. Измерение температуры производилось платинородий-платиновыми термопарами 7 IШ-1 и прибором KCП-4. В конструкции излучателей использовались пластины из керамики ПTC-19 толщиной 9мм. Совместно с частотопонижающими накладками и концентраторами 8 они работали в режиме резонанса на частоте 65 кГц. Концентраторы 8 были выполнены в виде круглого стержня с экспоненциальным изменением сечения. В результате серии из 6 опытных отливок, проведенных на описанной выше установке, получены отливки алюминиевого сплава AЛ5E. В результате изучения микроструктуры и сравнения их с контрольными отливками, выполненными обычным методом литья, выявлено следующее: при облучении расплава сфокусированными интерферирующими ультразвуковыми излучениями получены отливки с выраженными крупными столбчатыми кристаллами, расходящимися веером к периферии из одной точки. Эта точка и является центром кристаллизации. На полученных отливках была произведена серия замеров твердости. Схема расположения точек измерения
твердости показана на фиг.5, а полученные результаты для шести образцов приведены в таблице 1. Учитывая, что твердость нетермообработанных образцов из этого сплава, полученных в стандартных условиях, не превышает 20-22 ед., то, следовательно, применение предлагаемого изобретения дало почти 3-х кратное увеличение твердости сплава AЛ5E. Отмечается высокая изотропность свойств и повторяемость микроструктуры в серии плавок.
Таблица 1.
Метод позволяет при организации одного фронта кристаллизации (в центре расплава), движущегося к периферии, убрать на поверхность отливки несвязанные интерметаллиды, органические и псевдоорганические включения, устранить причины возникновения газовых раковин, горячих трещи, что может быть особенно полезно при изготовлении крупногабаритных отливок.
ПРОМЫШЛЕIfflАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Настоящее изобретение может быть использовано для изготовления любых отливок в кристаллизаторах соответствующей конструкции, обеспечивающих скорость естественного охлаждения расплавов не выше 0,5°C/ceк вкупе со слабым перегревом
заливаемого в кристаллизатор расплава и организации направленной кристаллизации из заданной зоны расплава к периферии в неравномерном силовом поле, позволяющих значительно улучшить качество литейных полуфабрикатов и изделий. Наиболее эффективно изобретение может быть использовало при изготовлении крупногабаритных слитков, используемых в дальнейшем для прокатки или в качестве заготовок для металлообрабатывающих центров, а также для получения фасонных отливок любой геометрии.
Claims
1. Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации расплава из заданной точки к периферии, заключающийся в том, что отливку формируют в кристаллизаторе путем равномерного объемного охлаждения расплава в неравномерном силовом поле, отличающийся тем, что неравномерное силовое поле создают посредством ультразвуковых колебаний, сфокусированных в заданную зону в объеме расплава с обеспечением формирования в ней локальной зоны повышенного давления, образования центра кристаллизации и направления фронта кристаллизации от этой зоны к периферии отливки.
2. Способ по п.l, отличающийся тем, что равномерное объемное охлаждение расплава осуществляют со скоростью не выше 0,5 0C /сек.
3. Способ по п.l, отличающийся тем, что величину перегрева заливаемого в кристаллизатор расплава выбирают из условия обеспечения времени существования жидкой фазы расплава, достаточного для завершения организованной направленной кристаллизации расплава из заданной точки к периферии отливки до наступления естественных процессов кристаллизации расплава по мере его остывания
4. Способ по п.l, отличающийся тем, что при достижении температурой отливки значения температуры завершения естественных процессов кристаллизации снимают неравномерное силовое поле и осуществляют дальнейшее охлаждение отливки.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP08873645.9A EP2272607A4 (en) | 2008-03-27 | 2008-10-03 | METHOD FOR PRODUCING CAST STITCHES BY DIRECTED CRYSTALLIZATION |
| EA201001509A EA017971B1 (ru) | 2008-03-27 | 2008-10-03 | Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации из заданной точки расплава к периферии отливки |
| CN200880128328.4A CN101980809B (zh) | 2008-03-27 | 2008-10-03 | 通过从熔融物的选择点朝向铸件外围的定向固化的铸件制造方法 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111707 | 2008-03-27 | ||
| RU2008111707/02A RU2376108C1 (ru) | 2008-03-27 | 2008-03-27 | Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации из заданной точки расплава к периферии отливки |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2009120107A1 true WO2009120107A1 (ru) | 2009-10-01 |
Family
ID=41114165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2008/000633 WO2009120107A1 (ru) | 2008-03-27 | 2008-10-03 | Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7987897B2 (ru) |
| EP (1) | EP2272607A4 (ru) |
| CN (1) | CN101980809B (ru) |
| EA (1) | EA017971B1 (ru) |
| RU (1) | RU2376108C1 (ru) |
| WO (1) | WO2009120107A1 (ru) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL2556176T3 (pl) | 2010-04-09 | 2020-08-24 | Southwire Company, Llc | Ultradźwiękowe odgazowywanie stopionych metali |
| RU2446030C2 (ru) * | 2010-06-02 | 2012-03-27 | Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук | Устройство для получения отливок в форме |
| US20140255620A1 (en) * | 2013-03-06 | 2014-09-11 | Rolls-Royce Corporation | Sonic grain refinement of laser deposits |
| ES2744844T3 (es) | 2013-11-18 | 2020-02-26 | Southwire Co Llc | Sondas ultrasónicas con salidas de gas para la desgasificación de metales fundidos |
| LT3256275T (lt) | 2015-02-09 | 2020-07-10 | Hans Tech, Llc | Ultragarsinis granulių rafinavimas |
| US10233515B1 (en) | 2015-08-14 | 2019-03-19 | Southwire Company, Llc | Metal treatment station for use with ultrasonic degassing system |
| PT3347150T (pt) | 2015-09-10 | 2020-11-23 | Southwire Co Llc | Procedimentos e sistemas de refinação e desgasificação de grãos ultrassônicos para fundição do metal |
| RU2623556C2 (ru) * | 2015-12-10 | 2017-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Способ получения постоянных магнитов на основе неодим-железо-бор |
| RU2731948C1 (ru) * | 2019-10-16 | 2020-09-09 | Юрий Иванович Осипов | Способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений |
| CN111455180B (zh) * | 2020-04-17 | 2021-11-23 | 昆明铂锐金属材料有限公司 | 一种从失效氧化铝铂催化剂中富集铂联产金属铝的方法 |
| RU2763865C1 (ru) * | 2021-02-04 | 2022-01-11 | Вячеслав Моисеевич Грузман | Способ изготовления отливок |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU971572A1 (ru) * | 1981-01-08 | 1982-11-07 | Днепропетровский Ордена Трудового Красного Знамени Металлургический Институт | Способ обработки кристаллизующегос сплава ультразвуком |
| SU1424952A1 (ru) * | 1985-12-25 | 1988-09-23 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Способ центробежного лить отливок |
| SU1715480A1 (ru) * | 1989-04-24 | 1992-02-28 | Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им.И.П.Бардина | Способ непрерывного лить заготовок |
| RU2035530C1 (ru) * | 1991-12-24 | 1995-05-20 | Геннадий Николаевич Кожемякин | Способ выращивания монокристаллов |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4291742A (en) * | 1977-11-09 | 1981-09-29 | Korytov Vladimir A | Method and apparatus for obtaining an ingot |
| RU2020042C1 (ru) * | 1990-09-19 | 1994-09-30 | Акционерное общество открытого типа "Всероссийский алюминиево-магниевый институт" | Способ получения отливок из композиционного материала на металлической основе |
| CN1597189A (zh) * | 2004-08-31 | 2005-03-23 | 西北工业大学 | 一种高梯度双区加热定向凝固装置 |
| JP2006102807A (ja) * | 2004-10-08 | 2006-04-20 | Toyota Motor Corp | 金属組織改質方法 |
-
2008
- 2008-03-27 RU RU2008111707/02A patent/RU2376108C1/ru not_active IP Right Cessation
- 2008-10-03 EA EA201001509A patent/EA017971B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2008-10-03 WO PCT/RU2008/000633 patent/WO2009120107A1/ru active Application Filing
- 2008-10-03 CN CN200880128328.4A patent/CN101980809B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2008-10-03 EP EP08873645.9A patent/EP2272607A4/en not_active Withdrawn
-
2009
- 2009-02-26 US US12/380,357 patent/US7987897B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU971572A1 (ru) * | 1981-01-08 | 1982-11-07 | Днепропетровский Ордена Трудового Красного Знамени Металлургический Институт | Способ обработки кристаллизующегос сплава ультразвуком |
| SU1424952A1 (ru) * | 1985-12-25 | 1988-09-23 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Способ центробежного лить отливок |
| SU1715480A1 (ru) * | 1989-04-24 | 1992-02-28 | Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им.И.П.Бардина | Способ непрерывного лить заготовок |
| RU2035530C1 (ru) * | 1991-12-24 | 1995-05-20 | Геннадий Николаевич Кожемякин | Способ выращивания монокристаллов |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA017971B1 (ru) | 2013-04-30 |
| EA201001509A1 (ru) | 2011-04-29 |
| EP2272607A4 (en) | 2014-05-07 |
| US7987897B2 (en) | 2011-08-02 |
| CN101980809A (zh) | 2011-02-23 |
| CN101980809B (zh) | 2012-08-22 |
| US20090242166A1 (en) | 2009-10-01 |
| RU2008111707A (ru) | 2009-10-10 |
| EP2272607A1 (en) | 2011-01-12 |
| RU2376108C1 (ru) | 2009-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2376108C1 (ru) | Способ изготовления отливок методом направленной кристаллизации из заданной точки расплава к периферии отливки | |
| Taghavi et al. | Study on the ability of mechanical vibration for the production of thixotropic microstructure in A356 aluminum alloy | |
| Zhan et al. | Modeling and simulation of the columnar-to-equiaxed transition during laser melting deposition of Invar alloy | |
| US9839958B2 (en) | Method for induction stirred, ultrasonically modified investment castings | |
| Kumar et al. | Properties evaluation of A356 and A319 Aluminum alloys under different casting conditions | |
| Lee et al. | Effect of the gap distance on the cooling behavior and the microstructure of indirect squeeze cast and gravity die cast 5083 wrought Al alloy | |
| Markov et al. | Computerized simulation of shortened ingots with a controlled crystallization for manufacturing of high-quality forgings | |
| Deng et al. | Microstructure and room-temperature tensile property of Ti-5.7 Al-4.0 Sn-3.5 Zr-0.4 Mo-0.4 Si-0.4 Nb-1.0 Ta-0.05 C with near equiaxed β grain fabricated by laser directed energy deposition technique | |
| Ma et al. | Application of a heat conductor technique in the production of single-crystal turbine blades | |
| Markov et al. | Computational and experimental modeling of new forging ingots with a directional solidification: the relative heights of 1.1 | |
| Zhang et al. | Influence of the low voltage pulsed magnetic field on the columnar-to-equiaxed transition during directional solidification of superalloy K4169 | |
| US3248764A (en) | Method for improving grain structure and soundness in castings | |
| KR100718405B1 (ko) | 주물의 횡방향 입자 크기 제어 방법, 주조 주상 제품과 및 액체 금속 냉각식 방향성 응고 방법 | |
| Jia et al. | Effects of centrifugal forces and casting modulus on structures and mechanical properties of Ti-6Al-4V Alloy | |
| JP7398865B2 (ja) | 付加製造材料用の溶融池撹拌による微細構造の改良法 | |
| Lü et al. | Ultrasonic vibration and rheocasting for refinement of Mg–Zn–Y alloy reinforced with LPSO structure | |
| Reddy et al. | Numerical simulation of directionally solidified CM247LC high pressure turbine blade | |
| RU2339485C2 (ru) | Способ изготовления отливки из металлического расплава | |
| Jiang et al. | Effects of mechanical vibration and wall thickness on microstructure and mechanical properties of AZ91D magnesium alloy processed by expendable pattern shell casting | |
| US3045302A (en) | Casting of metals and alloys | |
| Yu et al. | Numerical simulation and experimental validation of nondendritic structure formation in magnesium alloy under oscillation and ultrasonic vibration | |
| Torfeh et al. | Experimental and numerical analysis of microstructure and high-temperature tensile behavior of a directionally solidified superalloy | |
| Qiu et al. | Effect of Mechanical Vibration on Microstructure and Mechanical Properties of Gray Cast Iron in Lost Foam Casting | |
| Shang et al. | Directional solidification behavior of turbine blades in DZ125 alloy: design of blade numbers on assembly | |
| Jia et al. | Ultrasonic Stirring Effects on the Microstructure of A356 alloys |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 200880128328.4 Country of ref document: CN |
|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 08873645 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 7151/DELNP/2010 Country of ref document: IN |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 201001509 Country of ref document: EA |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2008873645 Country of ref document: EP |