ЧУШКА ИЗ СПЛАВА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУШЕК Российский патент 2011 года по МПК B22D3/00 C22F3/02 

Изобретение относится к области сплавов, а именно к способу получения чушек из сплава металлов, а также изобретение относится к чушке из сплава.

Алюминий или литейные сплавы с алюминием получают обычно в виде полупродукта в форме двусоставных или трехсоставных чушек для дальнейшей переработки путем литья. Для изготовления чушек готовят расплав из упомянутого сплава, который затем разливают в мульды.

Для повышения качества отливок, полученных из таких чушек, из DE 10002670 А1 известно, что чушки расплавляют в печи, а затем в рабочей камере на расплав воздействуют вращающимся электромагнитным полем, и обработанный таким образом расплав разливают. Этот способ значительно повышает качество отливок.

Задачей изобретения является создание такого способа получения чушек, который обеспечивает контролируемое образование получаемых перед формированием чушек твердых растворов с тем, чтобы при дальнейшей переработке чушек можно получать отлитую заготовку с нужными свойствами без внесения каких-либо конструктивных изменений в уже имеющиеся разливочные машины.

Эта задача решается с помощью способа получения чушек из сплава, при котором сначала готовят расплав, в котором основной материал и один или несколько легирующих компонентов находятся в жидком состоянии и из которого формуют чушки, причем в расплав перед формованием чушек во время охлаждения подают энергию при помощи переменного физического поля для усиления образования твердого раствора, подачу энергии прекращают тогда, когда процесс образования твердого раствора достигнет оптимального значения и дальнейшая подача энергии значительно не повысит образование твердого раствора, причем образование твердого раствора определяют путем измерений динамической вязкости расплава, находящегося в рабочей камере. С помощью изобретения достигается то, что сначала возникают элементарные ячейки твердого раствора, в которых атомы основного материала замещаются атомами дополнительного компонента или дополнительных компонентов. Целенаправленно достигается образование насыщенных твердых растворов, причем граница насыщения и диапазон температурных интервалов концентрации контролируют с помощью внешнего переменного физического поля так, что возникают твердые растворы, насыщенные примесными атомами. Граница насыщения и возросшее проникновение примесных атомов в кристаллическую решетку основного материала не зависит от температуры. При дальнейшем охлаждении из этих твердых растворов получается по-настоящему мелкозернистая структура.

В изобретении предусмотрено, что подача энергии происходит при температуре, которая находится примерно на линии ликвидуса этого сплава.

Время, в течение которого подается энергия, можно определить экспериментальным путем. Оно зависит от специального сплава, а также от средств, с помощью которых подается энергия. Для определения времени, в течение которого должна подаваться энергия, в первом примере выполнения предусмотрено, что образование твердого раствора определяют путем измерения динамической вязкости расплава, находящегося в рабочей камере. Изобретение основывается на том, что оптимальность образования твердого раствора проявляется тогда, когда обработанный расплав, несмотря на охлаждение, достигает наилучшего жидкотекучего состояния, которое остается примерно постоянным и позднее больше уже существенно не изменится. В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено, что образование твердого раствора устанавливают путем измерений температуры начала кристаллизации проб, которые отбирают из рабочей камеры. При этом изобретение исходит из того, что фактическая температура ликвидуса появляется в виде места изгиба на кривой охлаждения, которое возникает из-за теплоты кристаллизации. Эта фактическая температура ликвидуса находится при успешной переработке ниже линии ликвидуса, которая дана согласно диаграмме состояния для этого сплава.

Далее в изобретении предусмотрено, что кратковременная подача энергии происходит с помощью переменного, предпочтительно пульсирующего электромагнитного поля.

Неожиданно было установлено, что полученные таким образом чушки обладают как бы «эффектом памяти» и повышенной текучестью, полученной с помощью обработки в электромагнитном поле даже тогда, когда их снова расплавляют и перерабатывают в разливочной машине. Приготовленные таким образом чушки имеют в отличие от тех, что получены традиционными способами, повышенную текучесть, так что отливки можно изготавливать любой сложной формы и с повышенной плотностью. Изготовленные таким образом отлитые детали имеют повышенную прочность, улучшенную характеристику в отношении растяжения и износа. Таким образом они могут частично заменять детали, которые до сих пор должны были быть ломкими.

По сравнению со способом, известным из DE 10002670 А1, существенное преимущество заключается в том, что не в каждой разливочной машине должна быть предвключена соответствующая рабочая камера. Можно применять одинаковые разливочные машины, с помощью которых можно перерабатывать обычные чушки и ничего не менять в машине. Температуру разливки можно понизить, установить даже ниже температуры ликвидуса этого сплава. Температурный диапазон, в котором возможна разливка, увеличивается, так что существенно уменьшается опасность возникновения брака по причине неблагоприятных температур разливки.

Другие признаки и преимущества изобретения представлены в последующем описании установки, которая предназначена для заявленного получения чушек согласно изобретению.

В плавильной печи, имеющей выходное отверстие 1, плавильный канал 2 и нагревательное устройство 3, компоненты металла или сплава нагревают до тех пор, пока они все не расплавятся и не получится расплав 4.

Этот расплав 4 помещают через заливочное отверстие 19 в рабочую камеру. Рабочая камера состоит из части корпуса 18, выполненной по существу цилиндрической, из нижней части 10 в виде полушария и верхней части 7 в виде почти полушария. С рабочей камерой соединен предпочтительно электрический нагрев 6 в виде нагревательных спиралей, с помощью которых рабочая камера нагревается до температуры в области линии ликвидуса и, например, немного ниже линии ликвидуса специального сплава металлов, к примеру приблизительно до эвтектической температуры сплава. Кроме того, с рабочей камерой соединено устройство 5 для подачи энергии, например с помощью формирования вращающегося электромагнитного поля. Это электромагнитное поле обладает, например, напряженностью от 6 до 20 мТ и вращается с частотой примерно от 60 до 500 Гц. В результате этого возникает гидродинамическое давление порядка 150×10 Н/м². Во время общего влияния изотропного магнитного давления и магнитного напряжения, оптимальный диапазон которых составляет от 15 до 80 мТ, в расплаве развивается эффект текучей эластичной аномалии, которая отличается наивысшей степенью текучести расплава металла. Она имеет самую низкую динамическую вязкость. Измеряли динамическую вязкость 0,74 мПа/с при температуре расплава 580°С. Также наблюдали термокинетическую аномалию обрабатываемого расплава, которая определялась при помощи усадки области между температурой начала кристаллизации и температурой начала плавления до минимального значения. Полная растворимость нескольких легированных компонентов имелась также еще при температуре начала плавления. Духфазное состояние непрерывно дает усадку по причине снижающейся температуры ликвидуса и одновременно повышающейся температуры начала плавления, так что конода становится короче. Когда достигается нужное состояние, расплав 11 извлекают из рабочей камеры при помощи разгрузочного робота 12 и наполняют мульды 14, которые транспортируют при помощи литейного транспортера 13. В устройстве для выбивки 15 мульды 14 опорожняют, так что затем пустые мульды 17 снова поступают к разгрузочному роботу 12.

Кратковременная подача энергии в расплав, находящийся на стадии охлаждения, способствует тому, что повышается образование твердого раствора, при котором в элементарных кристаллах атомы основного материала замещаются атомами дополнительного компонента или дополнительных компонентов. Подачу энергии можно прекратить тогда, когда процесс образования твердого раствора достигнет оптимального значения и дальнейшая подача энергии значительно не повысит образование твердого раствора. Этот оптимум, характеризующий новое энергетическое состояние расплава, определяют в одном из вариантов выполнения изобретения.

Наивысшую текучесть или самую низкую вязкость, которая является индексом повышенного образования твердого раствора, измеряют в рабочей камере в режиме реального времени при помощи вискозиметра 8, так что в любое время можно определить, достигнуто ли желаемое состояние расплава 11. Благодаря энергетическому влиянию извне изменяется энергетическое состояние жидкокристаллического базового раствора. Его кристаллическая решетка разрыхляется так, что облегчается процесс, при котором выстраиваются новые группировки атомов. Энергия и соединительные силы, которые появляются между атомами отдельных компонентов и структурными единицами сплавов, относятся к влиятельным факторам. Вязкость является одним из этих свойств. Построение и перестройка атомарных комплексов приводят к освобождению сильных соединений, которые раньше были заперты внутри комплексов. Эти соединения принимают участие в вязком течении, а также в перемещении структурных единиц. Снижающаяся вязкость возвращается поэтому до атомарного комплекса, который имеет ослабленные внутренние и усиленные внешние соединения. Тем самым создаются физико-технологические предпосылки, среди которых в жидкокристаллической системе строятся коллективные области с единой ориентацией. Новая структура и ее энергетическая стабильность усиливаются благодаря переменному электромагнитному полю. Результатом является пониженная вязкость, которая отражает энергетическое состояние кристаллической решетки или микроструктурных единиц расплава. Текучесть может быть показана, например, на мониторе 16. Максимальная текучесть достигается тогда, когда текучесть больше существенно не растет, т.е. достигнута приблизительно горизонтальная ветвь кривой текучести φ за время t, показанная на мониторе 16.

Альтернативно или возможно дополнительно предусмотрено, что из рабочей камеры отбирают пробы расплава 11 и проводят анализ. На основании этого анализа можно показать, например, на другом мониторе 9, как меняется температура ликвидуса T_L и как она по сравнению с линией ликвидуса специального сплава приблизилась к линии температуры начала плавления T_S. При этом на мониторе 9 можно увидеть картину температуры Т за время t. Процесс структуризации перенасыщенного твердого раствора, который начался в жидкокристаллической системе, заканчивается во время охлаждения сплава, так что возможно составление наглядной реалистической картины состояния. С помощью такого реалистического, термодинамического изображения раскрывается большой спектр свойств сплава, например данные о концентрации, расположении линий ликвидуса/солидуса, границы насыщения (растворимость) и т.д., которые позволяют определять подходящие технологические параметры разливки для сплава, полученного заявленным способом.

Неожиданно оказалось, что когда чушки, полученные описанным выше способом, проходят дальнейшую переработку, появляются выгодные соотношения. Полученное в результате переработки повышение текучести является необратимым, так как твердые растворы стабильны. Расплав, полученный при дальнейшей переработке из расплавленных слитков, имеет улучшенные текучие свойства и незначительную склонность к окислению. При расплавлении слитков на поверхности ванны образуется меньше съемов.

В сплаве металлов на основе алюминия с главным легирующим компонентом кремнием было возможно успешно отливать цилиндрические головки еще при температуре металла при разливке 637°С, которая, таким образом, примерно на 100°С ниже, чем температура металла при разливке, предписанная для этой машины и этого сплава. Несмотря на более низкую температуру металла при разливке, качество не снизилось и не появились усадочные раковины, пористость отливки из-за выделения газов, растворенных в жидком металле, или наплывы, и не образовалась грубая структура.

Изобретение основывается на том, что благодаря влиянию энергии извне, т.е. благодаря взаимодействию между внешним электромагнитным полем и внутренним электромагнитным полем твердого раствора оказывается влияние на усиление процесса диффузии и внутриатомарные соединения. Результатом этого взаимодействия явилась структура сплава, твердые растворы которого в расплавленном состоянии имеют порядок или дальний порядок. Это взаимодействие можно повысить также за счет того, что добавляют легирующий компонент, который отличается от основного материала электромагнитной восприимчивостью.

Изобретение подходит, в частности, для сплавов, в которых основным материалом является алюминий, а главным добавочным компонентом - кремний. В принципе изобретение применимо для всех сплавов, независимо от электромагнитной восприимчивости компонентов. Внешнее энергетическое воздействие происходит в примере выполнения за счет переменного, пульсирующего электромагнитного поля. Разумеется, имеются и другие возможности для внешнего энергетического воздействия при помощи переменного физического поля, например при помощи ультразвука. При этом поле располагается так, что сохраняются условия, данные для описанного выше электромагнитного поля.

Описанные в изобретении слитки подходят для всех процессов разливки. При этом при кокильном литье особое преимущество имеет высокая степень текучести, тогда как при литье под давлением особое преимущество имеет замечательная способность к деформации. Принято, что при расплавлении слитков сохраняется новое атомарное расположение в кристаллической решетке, которое было получено в результате предварительной обработки методом диффузии, и при этом атомы компонентов сплава не покидают свои места в алюминиевой кристаллической решетке.

Под термином «чушки» согласно изобретению понимаются не только стандартные формы слитков. Напротив, под этим следует понимать любую форму, в которой отливают приготовленный расплав перед повторным расплавлением для процесса разливки.

Способ включает приготовление расплава, в котором основной материал и один или несколько легирующих компонентов находятся в жидком состоянии. В расплав перед формованием чушек во время охлаждения подают энергию при помощи переменного физического поля для усиления образования твердого раствора. Подачу энергии прекращают тогда, когда процесс образования твердого раствора достигнет оптимального значения. Образование твердого раствора определяют путем измерений динамической вязкости расплава, находящегося в рабочей камере. Обеспечивается контролируемое образование твердых растворов, позволяющее получить чушки с мелкозернистой структурой. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения чушек из сплава, включающий приготовление расплава, в котором основной материал и один или несколько легирующих компонентов находятся в жидком состоянии, из которого формуют чушки, отличающийся тем, что в расплав перед формованием чушек во время охлаждения подают энергию при помощи переменного физического поля для усиления образования твердого раствора, подачу энергии прекращают тогда, когда процесс образования твердого раствора достигнет оптимального значения и дальнейшая подача энергии значительно не повысит образование твердого раствора, причем образование твердого раствора определяют путем измерений динамической вязкости расплава, находящегося в рабочей камере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подача энергии происходит при температуре, находящейся примерно на линии ликвидуса этого сплава.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образование твердого раствора устанавливают путем измерений температуры начала кристаллизации проб, отобранных из рабочей камеры.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что кратковременная подача энергии происходит при помощи переменного, предпочтительно пульсирующего электромагнитного поля.

5. Чушка, представляющая собой отливку, сформованную из расплава, состоящего из основного материала и одного или нескольких легирующих компонентов, отличающаяся тем, что она сформована из расплава, в который во время охлаждения осуществляют подачу энергии при помощи переменного физического поля для усиления образования твердого раствора, подачу энергии прекращают тогда, когда процесс образования твердого раствора достигает оптимального значения, и дальнейшая подача энергии значительно не повышает образование твердого раствора, причем образование твердого раствора определяют путем измерений динамической вязкости расплава, находящегося в рабочей камере.