СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1998 года по МПК B22D27/08 

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке расплавов упругими колебаниями, например ультразвуковыми, и может быть использовано при рафинирующих переплавах.

В однофазных литых металлических материалах в процессе охлаждения слитка формируются в литом зерне полигонизационные границы, существенно ухудшающие технологические и эксплуатационные свойства литого металла.

Известен способ обработки металлов, например, зонная плавка (очистка), включающая последовательное (зонное) плавление металла, ультразвуковую обработку жидкой ванны, кристаллизацию [1]
Однако известный способ не обеспечивает получение металла высокой частоты без полигонизационных границ.

Техническим результатом изобретения является повышение физической однородности чистого металла путем устранения полигонизационных границ в чистых металлах с сохранением их исходной чистоты, либо путем предотвращения образования границ.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе обработки металла высокой чистоты, включающем расплавление металла, его кристаллизацию и ультразвуковую обработку, ультразвуковую обработку ведут с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести обрабатываемого материала. Ультразвуковую обработку ведет при кристаллизации слитка. Ультразвуковую обработку можно проводить и после окончания кристаллизации слитка в процессе его охлаждения.

Формирование первичного литого зерна при кристаллизации металлических расплавов происходит при встрече растущего (растущих) кристаллитов, рост которых начался из различных центров. Граница встречи кристаллитов становится границей первичного зерна, которая окружает кристаллит в произвольной форме.

В процессе охлаждения слитка без полиморфных превращений происходит переход напряженного состояния первичного зерна, повышенное значение свободной энергии, вызванного большим количеством несовершенств в кристаллической решетке: дислокации, вакансии, примесные выделения, к состоянию с меньшей свободной энергией, путем перемещения и группировки дислокаций и вакансий в определенных участках слитка с появлением полигонизационных границ.

Полигонизация процесс движения и группировки дислокаций в устойчивые ряды. Возникающие новые границы ориентированы произвольным образом по отношению к первичным монокристаллитам. В этих условиях первичный кристаллит может распадаться на ряд полигональных зерен. Границы этих зерен выявляются в виде отдельных ямок травления.

В процессе полигонизации литых металлов при наличии усадочных напряжений вокруг цепочки дислокаций могут конденсироваться вакансии, создавая в отдельных участках границы больших разрыхлений или микротрещин.

Последующая деформация или эксплуатация литого материала при наличии граничных дефектов приводит к межкристаллитному разрушению, в агрессивных средах к ускоренной коррозии.

Вышеперечисленные дефекты могут быть подавлены или значительно ослаблены путем наложения ультразвуковых колебаний на поверхность оболочки кристаллизующегося слитка. Ультразвуковая волна знакопеременных напряжений будет осуществлять одновременно с усилением диффузионных процессов и релаксацию как за счет генерирования новых дислокаций, так и путем вовлечения уже существующих в пластическое течение. В этом случае снижение свободной энергии в первичном зерне будет стимулированным, а не произвольным. Для возбуждения подобного процесса в материале необходимо подвести к материалу акустическую энергию с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести σ_τ обрабатываемого материала.

В случае, когда ультразвуковую обработку ведут при кристаллизации слитка, обработка препятствует образованию полигонизационных границ, а в случае обработки после окончания процесса кристаллизации обработка устраняет полигонизационные границы.

Обработку жидкого металла ведут при кристаллизации, которая сопровождается возникновением и ростом кристаллитов с образованием каркаса слитка, ввод ультразвуковых колебаний приводит к возникновению и росту кристаллов при знакопеременных напряжениях и их релаксации при пластическом течении. Механизм релаксации при пластическом течении с s ≥ σ_τ позволяет препятствовать возникновению и росту полигонизационных границ. В случае s < σ_τ мы наблюдаем процесс возникновения полигонизационных границ, что свидетельствует о наличии порогового значения для протекания внутризеренных релаксационных процессов.

В случае обработки кристаллизующегося слитка ультразвуковая обработка приводит к распаду субзерен полигонизационных границ и образованию зеренной структуры.

Примеры осуществления способа
Технически чистый хром марки ЭРХ (ТУ-14-5-76-76) расплавляют в индукционной печи и заливают в металлическую форму, которая имеет ультразвуковую колебательную систему с волноводами, установленными в отверстия стенки формы. Перед заливкой расплава ультразвуковые колебательные системы подключают к источнику питания.

Заливку хрома производили при температуре 2000^oC в металлическую форму, в которой начинается кристаллизация слитка. Ультразвуковую обработку стенки формы осуществляли с амплитудой 0,8 мкм, что соответствует возбуждению знакопеременных напряжений в оболочке слитка 0,8 кг/мм², приводит к наложению знакопеременных напряжений того же значения в кристаллизующемся металле. Вместе со снижением температуры металла идет увеличение толщины оболочки слитка. В момент достижения 1850^oC процесс кристаллизации прекращается, выключают источник питания электромеханических преобразователей и слиток охлаждается без ультразвуковой обработки.

В случае обработки слитка после окончания кристаллизации процесс ведут следующим образом. Заливают хром при температуре 2000^oC в металлическую форму. По термопаре, заложенной в стенку формы, определяют температуру в различные моменты после заливки металла до температуры 1850^oC. В момент достижения температуры 1850^oC включают источник питания электромеханических преобразователей и начинают процесс ультразвуковой обработки. Режим обработки имеет следующие параметры. Ультразвуковая вибрация стенок формы с амплитудой колебательного смещения 0,8 мкм, знакопеременные напряжения в оболочке слитка при этой амплитуде 0,8 кг/мм². Для чистого хрома предел текучести при кристаллизации, полученный экспериментально, составляет 0,7-0,8 кг/мм².

Измерение малоугловых границ на образцах слитка с обработкой показали, что в слитке с режимом обработки, где s_t была менее 0,8 кг/мм², наблюдались малоугловые границы (угловые минуты) 1,5; 3; 3; 4; 6; 6; 7; 7; 9; 10; 10; 14; 14; 16; 17; 20; 25.

Для аналогичных образцов из слитков хрома с обработкой при s_t, равной 0,8 кг/мм², разориентировка отсутствовала, что свидетельствует об отсутствии полигонизационных границ и повышении внутризеренной физической однородности.

Использование: изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке расплавов упругими колебаниями, например ультразвуковыми, и может быть использовано при рафинирующих переплавах. Техническим результатом является повышение физической однородности чистого металла путем устранения полигонизационных границ в чистых металлах с сохранением исходной чистоты или предотвращения их образования. Сущность изобретения: способ включает расплавление металла, его кристаллизацию и ультразвуковую обработку, которую ведут с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести обрабатываемого материала. При этом при первом варианте осуществления способа ультразвуковую обработку проводят при кристаллизации слитка, а при втором - после окончания кристаллизации слитка в процессе его охлаждения. 2 с.п. ф-лы.

1. Способ обработки технически чистого металла, включающий расплавление металла, кристаллизацию, ультразвуковую обработку, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку ведут в процессе кристаллизации слитка с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести обрабатываемого материала. 2. Способ обработки технически чистого металла, включающий расплавление металла, кристаллизацию, ультразвуковую обработку, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку ведут после окончания кристаллизации слитка в процессе его охлаждения с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести обрабатываемого материала.