СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК Российский патент 2009 года по МПК B22D27/02 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения качественных фасонных отливок, в том числе сложных крупногабаритных, из цветных металлов и сплавов на их основе.

Известен способ получения отливок методом направленной кристаллизации, включающий вакуумную выплавку, заливку литейной формы металлом и его обработку постоянным магнитным полем. Способ обеспечивает получение ориентированной структуры отливки вдоль ее оси под воздействием осевого теплоотвода и постоянного магнитного поля (А.с. СССР №880626).

Недостатком этого способа являются большие энергозатраты, связанные с организацией процесса, и сложность получения крупногабаритных отливок.

Известен также способ получения металлических слитков высокого качества с помощью электромагнитного воздействия на расплав металла, помещенный в сильное магнитное поле, при пропускании через него электрического тока большой силы, при котором обеспечивается плотная и равномерная структура металла во всем объеме слитка (Патент Японии №62275563).

Данный способ не позволяет получать литые фасонные отливки сложной конфигурации, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ получения отливок, преимущественно из хрома, включающий вакуумную выплавку и заливку расплава в литейную форму, воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе электромагнитным полем с направлением, совпадающим с направлением гравитационных сил, от соленоида, питаемого трехфазным током промышленной частоты, последующую кристаллизацию и охлаждение отливок. Для получения плотной и мелкозернистой структуры электромагнитное поле соленоида снимают по достижении температуры металла 1300°С (Патент СССР №1367286).

Недостатком способа является нестабильность физико-механических свойств крупногабаритных, сложных фасонных отливок по всему сечению, вызванная большой неоднородностью электромагнитного поля, воздействующего на металл в процессе его кристаллизации.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа получения фасонных отливок, в том числе сложных крупногабаритных из цветных металлов и сплавов, с повышенными стабильными физико-механическими свойствами.

Для решения технической задачи предложен способ получения отливок, включающий вакуумную выплавку, заливку расплава в литейную форму, воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе электромагнитным полем с направлением, совпадающим с направлением гравитационных сил, от соленоида, питаемого трехфазным током, кристаллизацию и охлаждение отливок, в котором воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе осуществляют квазиоднородным электромагнитным полем в течение всего переходного периода расплава от состояния ликвидуса до состояния солидуса.

Величины фазных токов в соленоиде устанавливают с учетом следующего соотношения 1:(1,08-1,20):(1,27-1,35).

Стабильность физико-механических свойств исследуемых материалов, как было установлено авторами, возрастает при воздействии на металл в течение всего переходного периода от состояния ликвидуса до состояния солидуса максимально однородным электромагнитным полем. Экспериментально было обнаружено, что величины фазных токов в катушках соленоида предпочтительно должны удовлетворять следующему соотношению 1:(1.08-1,20):(1,27-1,35).

Воздействие однородного электромагнитного поля на расплав металла в процессе его кристаллизации способствует образованию направленной кристаллографической текстуры, что повышает для данного металла его физико-механические свойства и их стабильность.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Для обработки электромагнитным полем отливки для получения катода из никелевого сплава (никель - 16 вес.% алюминия) специально изготовленный соленоид (внутренний диаметр d=190 мм, высота h=300 мм, количество витков W=300, площадь сечения провода S=4 мм²) устанавливали на поворотный стол заливочной камеры вакуумной плавильной установки типа УППФ. Во внутреннюю область соленоида поместили водоохлаждаемый корпус (выполненный из нержавеющей стали) с вмонтированной в него печью для подогрева форм. Соленоид состоял из 6-ти катушек, по две на каждую фазу. Катушки соленоида, соединенные по схеме «звезда», питались трехфазным током промышленной частоты. Выбрав величину тока в катушке В I_В=14,0 А, определяли, учитывая соотношения между величинами фазных токов 1:1,10:1,30, значения фазных токов в катушках А и С I_А=18,2 А и I_С=15,4 А.

После формовки керамической формы в металлическую опоку ее устанавливали в печь подогрева рабочей зоны соленоида, а в плавильный индуктор вакуумной печи загружали шихтовую заготовку исследуемого металла. После вакуумирования плавильного объема печи до давления Р=(4,0-2,5)Па и нагрева формы до температуры Т=(850-950)°С осуществляли процесс плавления металла в индукционном тигле. По готовности расплава замеряли его температуру и, определив его технологичность, осуществляли заливку литейной формы, предварительно включив соленоид для обработки расплава электромагнитным полем. Величины рассчитанных фазных токов в катушках соленоида выставляли с помощью трансформатора. Обработка кристаллизуемого расплава осуществлялась квазиоднородным электромагнитным полем в течение всего переходного периода от состояния ликвидуса до состояния солидуса в диапазоне температур от 1460°С до 1390°С.

Пример 2. Аналогичным образом проводилась обработка отливки для получения литого изделия лопатки ГТД из сплава интерметаллидного класса (типа ВКНА). Использовался соленоид со следующими параметрами: внутренний диаметр d=190 мм, высота h=355 мм, количество витков W=330. Выбрав величину тока в катушке В I_В=20,0 А, учитывая соотношения между величинами фазных токов 1:1,08:1,27, рассчитывали значения фазных токов в катушках I_C=25,4 А; I_А=21,6 А. Обработка производилась в диапазоне температур от 1380°С до 1350°С.

Пример 3. При обработке электромагнитным полем отливки для получения катода из сплава на основе хрома (типа ВХ2И) использовали соленоид с параметрами: высота h=190 мм, внутренний диаметр d=190 мм и количество витков W=160. Аналогично устанавливали, учитывая соотношения между величинами фазных токов 1:1,20:1,35, следующие величины фазных токов: I_В=20,0 А, I_С=24,0 А, I_А=27,0 А. Обработка производилась в диапазоне температур от 1920°С до 1900°С.

Пример 4. По способу прототипа для проведения сравнительных испытаний были получены отливки из никелевого сплава (никель - 16 вес.% алюминия) и сплава на основе хрома (типа ВХ2И).

Из полученных в примерах отливок вырезали образцы и испытывали их физико-механические свойства и микроструктуру.

При определении ударной вязкости сплава (никель - 16 вес.% алюминия) на круглых образцах диаметром 15 мм было обнаружено снижение разброса значений с (45-55)% при а_к=(2,2-4,2) кгм /см² для образцов, полученных по способу прототипа, до (15-20)% при а_к=(3,8-4,5) кгм/см² для образцов, полученных по предлагаемому способу. При определении ударной вязкости образцов из сплава на основе хрома (типа ВХ2И) установили, что разброс свойств снизился с (38-40)% при а_к=(1,0-1,3) кгм/см² для образцов, полученных по способу прототипа, до (23-25)% при а_к=(1,4-1,8) кгм/см² для образцов, полученных по предлагаемому способу.

Исследования микроструктуры литых образцов показали ее существенное измельчение.

Исследование кристаллографического состояния образцов из сплава (никель - 16 вес.% алюминия) системы (Ni₃Al+NiAl) и сплава на основе хрома (типа ВХ2И) позволило выявить образование текстуры [133] для ГЦК фазы Ni₃А1 и [011] для ОЦК фазы NiА1 параллельно оси образцов, а в образцах из сплава на основе хрома и сплава интерметаллидного класса (типа ВКНА) - выявить образование основной текстуры [011] для ОЦК решетки.

Исследование отливок, полученных в соответствии с предлагаемым техническим решением, показало, что новый способ обеспечивает повышение и стабильность физико-механических свойств отливок. При этом обеспечивается кристаллографическая направленность структуры, что позволяет использовать данный способ как наиболее простое и перспективное решение в получении качественных разногабаритных отливок сложной конфигурации из цветных металлов и сплавов.

Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает вакуумную выплавку и заливку расплава в литейную форму, воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе электромагнитным полем с направлением, совпадающим с направлением гравитационных сил, от соленоида, питаемого трехфазным током, кристаллизацию и охлаждение отливок. На расплав в литейной форме и литниковой системе воздействуют квазиоднородным электромагнитным полем в течение всего переходного периода от состояния ликвидуса до состояния солидуса. Величины фазных токов в соленоиде устанавливают с учетом следующего соотношения 1:(1,08-1,20):(1,27-1,35). Достигается повышение физико-механических свойств отливок. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения отливок, включающий вакуумную выплавку и заливку расплава в литейную форму, воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе электромагнитным полем с направлением, совпадающим с направлением гравитационных сил, от соленоида, питаемого трехфазным током, кристаллизацию расплава и охлаждение отливок, отличающийся тем, что воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе осуществляют квазиоднородным электромагнитным полем в течение всего переходного периода расплава от состояния ликвидуса до состояния солидуса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношения между величинами фазных токов в соленоиде устанавливают 1:(1,08-1,20):(1,27-1,35).