Способ "МАХИД" для получения слитков из композитных материалов Советский патент 1984 года по МПК B22D27/02 

Изобретение относится к металл фгии, и более точно касается способо получения СЛИТКОВ из композитных , материалов, в частности из несмепмвающихся между собой металлов, из гравитационно расслаивающихся компонентов, например слитков из сллавов aлю raний-cвинeц, цинк-свинец и ряда других, перспективных для полу чения антифрикционных материалов, используемых для подшипников скольжения в автомобильной, тракторной и других отраслях промьшленности. Такие материалы находят широкое применение в разных отраслях промыш ленности; в электротехнике, реактив ной авиации, строительстве, при получении антифрикционных сплавов и т.п. Известен способ получения композитного материала алюминий-свинец с содержанием свинца 3-26%, согласно которому указанную смесь перегреваю выше критической температуры для предотвращения расслаивания компонентов на два слоя. Для предотвраще ния испарения свинца из смеси процесс ведут под слоем солевого флюса Поспученная смесь при помощи сифона извлекается на охлаждаемую разливоч ную машину, дробящую смесь на капли для закалки сплава в виде мелких гр ьул, которые затем прокатывают в листы С1}. Однако данньв способ не может обеспечить получение однородног.о по структуре слитка без промежуточной операции - получения гранул. Известен способ получения комтозитных материалов из несмешиваюпщхс между собой компонентов на космичес ких кораблях и орбитальных стандаях согласно которому смешиваемые КОМГЕО ненты перегревают до температуры выше критической и далее подвергают охлаждению в условиях невесомости t2; Однако получение композитных материалов в космосе экономически пока еще не оправдано, тем более получить требуемое количество сплава невозмож но. 1аибалее близким техническим решением к предложенному является способ получения слитков из композицитньс1 материалов, включаюш 1Й нагрев до температуры вьш1е критической несмещивающихся между собой материалоп, въщержку расплава до однородно55Iго раствора и последующее его охлаждение до полной кристаллизации в iэлектромагнитном поле, возбуждающем в металлическом расплаве силы, приводящие к обезвеишванию компонентов друг относительно друга 3. Обезвешивание компонентов обеспечивается тем что на расплав воздействуют скрещенными магнитньЕМ и электрическим ПОЛЯМИ, из которых последнее возбут - дают путем подачи напряжения на электроды, опущенные в расплав. Лпотность электрического тока в расплав при этом рассчитывается по формуле (,)l(if , п,., 8, - индукция постоянного . магнитного поля; ( соответственно удельные веса и удельные проводимости компонентов расплава. Известный способ обеспечивает получение мелкодисперсного по структуре сплава из несмещиваюш 1хся между собой металлов, однако необходимость контактного подвода электрического тока к расплаву вызывает ряд трудностей при его практической реализации. При контактном подводе э,лектричес1 ого тока к расплаву имеет место нестойкость электродов в агрессивной сред€, приводящая к загрязнению получаемого слитка, а также к неравномерности .контакта. Кроме того, при контактном подводе тока имеет место большое контактное сопротивп:ение между поверхностью электродов и расплавов, приводящее к неоправданно болыиим энергетическим затратам. Возможно также нарущен:ие контакта между слитком и по:(;е;рхностью электрода из-за усадки слитка во время затвердевания расплава, что снижает надежность изнестного способа. Целью изобретения является упрощение реализацк(и процесса, повьш1ение его надежности и повышение чистоты пол ченных слитков. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему нагрев до температуры критической несмешивающихся между собой компонентов, преимущественно металлов, вьщержку расплава до однородного распределения компонентов и последующее охлаждение до полной кристаллизации с одновременным возбуждением в расплаве электро магнитных сил для создания безразличного равновесия компонентов, воз буждение электромагнитных сил в расплаве осуществляют наложением бе гущего магнитного поля, вектор скорости которого коллинеарен вектору ускорения свободного падения, а плотность электромагнитных сил в ра штаве (и соответственно магнитную индукцию и угловую частоту) определяют по формуле .:f(,,, 2e,vS, где f(B,u3 ) плотность электромагнитных сил в расплаве В и (fl) магнитная индукция и угловая частота бегущего магнитного попя 0,% удельные плотности компонентов расплава ,PI - плотности компонентов расплава; величина ускорения св бодного падения, причем при (В,Сй) О вектор скоро ти бегущего магнитного поля совпада ет по направлению с вектором ускорения свободного падения, а при f(B,(su) . О указанные векторы направлены в противоположные стороны Сущность предложенного способа состоит в следующей последовательности операций. Готовят смесь компонентов, пере гревают ее до температуры выше кри тической до образования однородного рас.твора, затем на расплав воздействуют бегущим магнитным полем, после чего охлаждают, не снимая воздействия бегу1цего магнитного по ля, до полной кристаллизации распл ва. При DTOM величину индукции бегу щего магнитного поля и его частоту выбирают такими, чтобы суммарная плотность объемных сил (силы веса и электромагнитной силы f- ((и) , В,&х), направленных коллинеарно силе тяжести были по возмож ности равны в каждом из компоненто Здесь i 0,1 - индексы компоненто Среднюю плотность электромагнит ных сил в расплаве выбирают с учетом плотности и удельной проводимо и смешиваемых кo moнeнтoв в диапазоне температур от критической до . емпературы кристаллизации и опредеяют ее по следующей эависямости (Ь,со - А- iSl-i-fJl де обозначения те же, что и выше. При выполнении указанных соотноений вьтадающие из раствора частицы исперсного компонента не будут оседать или всплывать в матричном металле из-за различия в их удельных весах, как это имеет место обычЯо в поле сил тяжести. В данном случае на каждый из них действует дополнительная объемная электромагнитная сила такой величины, что ка ущиесяудельные веса каждого KONmo-. нента.становятся равными друг другу (. Jfo t-i - Jj, 1-14 J и расслоения компонентов не происходит, так как они находятся в безразличном равновесии по отношению друг к другу. Указанная последовательность операций обеспечивает равномерное распределение металла дисперсной фазы в металле - матрице и исключает расслаивание компонентов под действием силы тяжести при температурах, меньших критической. Предлагаемый способ слитков из композитных материалов не требует контактного подво7,а электрического тока к расплаву, поскольку электрог магнитные силы в расплаве возбуждаются бесконтактно, под воздействием бегущего магнитного поля. ФизичесКАЙ механизм возбуждения электромагнитных сил в расплаве под действием бегущего магнитного поля заключается в его взаимодействии с индyцIipoвaнными в расплаве этим же магнитным полем электрическими токами. В результате отпадают все перечисленные выше недостатки ,присущие известному способу ,осноЕан ому на контактном подводе электрического тока к расплаву. В то же время слитки из кo moзитных материалов, полученные предлагаемым индукционным способом, основанном на использовании бегущего магнитного поля, характеризуются мелкодисперсной структурой и высоким качеством - не худш1м, чем качество слитков, полученных известным контактным способом. Бесконтактный способ является единственной возможностью получения слитков из материалов с повышенной

агресснвностъЮ; в также мгт-ерия,г(ог; к которым предьяр : г1vя въгсскке трйбовашгя по чигтоте составе...

На чертеже предоставлена -эксггери 1ентальаая устйНОБкЗ; работающая по пред.пагаемому способу, продо-пь-ный разрез.

У тэновка содержит графитовь:й 1Чггель ; „ цилиндрический индуктор 2 бе.Гущего магнитного поля с обмоткой 3 вс)збут{ут,енйя 5 внутренний ipeppof.iarнит-ный сердечник 4, расплав 5 комионентов,

П р и мер, В эксперименте используется расл.пав из двух несмеигивающиксй между собой металлов алюминия и CBHh4uij содержащий |5 вес,% свинца. Выбор указанных комноьектов произведен с учетом раз.} :ичт- я их механи-Ебских и физических свойств 3 поэво.пяювтнх относительно прос:то выявить гшкоо- и макрэструктуру получаемого с.лктка.

Плавление и гомогенизация расплава проводится в тигле нтщукнион-но.й лечи, причелМ предварнте.дьно расплав перегревается до тем-ператур вьипе критической и вьщерживается в 3vc-i состоянии .приблизительно 5-UJ ,.:мм пос.:;::: чего выливается в ти::.-nL , (рмсталлкзал.ия распила за ои;з вс,:(1- ГСП в iцилиндрическом графИгс,:1Л-/ т.игле 1 с внутренним диамет;: ом D /; мм, имеющим внутренний ен/ ;:И;к1.1: рованньгй ферромагнитный сарца-::-1И1с 3 с внеиигим диаметр(м d

цилиг;дринеского И11дуктора 2 бегулте-ГС: магнитн-ого по.пя „ Вектор скорости бегущего магнитного поля совпадает г;о направлению с нер;тором силы тяжести, .Цялипдрический индуктор бегущвго магнитного поля 2 питается трекфагги1з1.ч током нромьшшенной частоть

- 5 .10 А/м,.

iTi;.i:.vpp использо.вания расчетной форгту.пы; динейтгая токова.я наттузка цил1;ндрк1сского индуктора рассчитывается Б соответствии с формулой

об ее нечиваютей ука занное б е.зра з.гя-гч ное равновесие компонентов, .Для ис-по.пь эованного в эксперименте г.л.таьа

(S, 3,9.10 ОмЪС/Й.fc

|о,:- 9,97 Ю кг/м соответственно расчетное значение плотности ;з:теЕ :тромагнитной силы равно f (B./u) ) - О, 104ИО н/мз .

Расчет линейной токовой на рузки цилиндрического индуктора с внутренним сердечником проводится да.ггзе со известным фор.мулам. При этом :1-гля тока частоты $ - 50 Гц получено значение А 5 10 А/м. Полученное теоретическое значение линейной токовой нагрузки проверено опытным путем. Для зтсго измерено значение сил:,:,. цейс;твую1дей Fia твердь;й свинцо:1ЫЙ циJПiH.гф в бегущем магнитном нол тгого же 1-и-1,дуктора (зыбсф з.атериала дилиндра5 и.1итиру1ощего рабочий раснла, связан с соннадением проводимоет ей жи.дкого пр,- Т Yy со свинцом при нормальной телглератУре) , Пол;.1енное при этом опытное 31- е TiH е пл от н ос ти э ..ч е к т о ма г НТ-Е т н о и 1{лы при .пинейной токовой нагрузке индуктора А : Ю А/м плотностью совпадает с ее теорет.ическим значением f(B., ivj) 0 104-10 н./м. Данные ;значения линейной токовой нагрузки инду:сторз. испо.ьзовалось п онр{сываемом примере получения комноз.итного .;атег)иал А1-Р1 , Процесс кристалхизаДии гсз1; еств.пяется 2- 3 мин с KJMCHTa за. гомогени :; грова1 ного расп.чава ч кристаллизатор.

С.Й в /э-Но.м растворе азотной кислоты увеличение UOOX), свидетспьствует об однородности сплава и эффективности Г.анчого метода слиткон.

Микроструктура с таким же. процентным содержанием свинца, полученного при Крис галлиза1/-:и в скрекгчных постоянНэК олeKT)tr4ecKOii v. .-магнитном полях при контактном подиоде э.1 ек1ричесхого тока v. раоитаву, лсазьгааог.. чтс5 качество с:гитка, пслученксго .предлат аемым бесконтактим1. ieтoдc.м с помощью 6eryii(ero магнитного поля не хуже, чем слитка, п;шучепного мето.гюм ь соответствии с известнь;м способом.

В то лче. время реализация процесса .лучьция композитного сгмтаяа по предатагаемому сггособу проше. поскольку отсутствие контактных токоиодкодов к расплаву существенно упрощает решение целого ряда техно.погргческих пpoбJ.(eм„ я чаг;тнос Ч1 отпадает нс;обходимость в обеспечеиик герметичное ти узла ввода электродов в металл, в принятий мер, ликвидирующих разъедание и расплавление электродов, в применении сложных компенсаторов, обеспечивающих постоянный контакт электродов с расплавом при его затвердевании и т.п.

МАХИД - это словесный товарный знак, зарегистрированный на имя института физики АН Латвийской ССР,

Композиционные материалы, полученные предлагаемым способом, превосходят существующие антифрикционные сплавы на основе алюминия и олова по механическим и фрикционным характеристикам и одновременно значительно дешевле и менее дефицитны. Однако использование их в народном хозяйстве сдерживается отсутствием надежных и дешевых технологий, обеспечивающих требуемое распределение

мелкодисперсньсх частиц свинца в алюминии. Способ позволяет реализовать простую технологию получения таких зтериалов с надежным обеспечением требуемого качества структуры слитков .

Указанный способ может быть легк реализован по известным схемам установок непрерывной разливки металлов что обеспечивает его высокую производительность, не уступающую применяющейся сегодня на сплавах систему алюминий-олово.

При этом замена существующих антифрикционных сплавов марок АО на апюминиево-свинцовистые дает эконокшческий эффект, превьшающий 5 млн. руб., и приводит к резкому снижению потребления остродефицитного олова, улучшению качества подшипникоз скольжения и увеличению , срока службы автотракторных двигателей .

Снособ для по;гучения слитков из композитных материалов, включающий нагрев до температуры выше критической несмешивающихся между собой компонентов, преимущественно металлов, выдержку расплава п.о однородного распредечения компонентов и последующее охлаждение до полной кристаллизации с одновременным возбу-.кдением в расплаве электромагнитных сил для создания безразличного равновесия компонентов, отличающ и и с я тем, что, с целью упрощения реализации процесса и повышения частоты слитков, возбуждение электромагнитных сил в расплаве осутцествляют наложением бегущего магнитного поля, вектор скорости которого коллинеарен вектору ускорения свободного падения, а плотность электромагнитных сил в расплаве (и соответственно магнитную индукцию и угловую частоту) определяют по формуле J(B,a))% М л /ч, . /А. 2(,ЧГ, где f (В,1Е) ) - плотность электромагО (9 нитных сил в расплаве, В, (и) магнитная индукция и угловая частота бегущего магнитного поля; Ч«удельные проводимости компонентов расплава, fo, f. 9 плотности компонентов расплава; величина ускорения свободного падения, причем при f (В,Се)) О векуор ско- . рости бегущего магнитного поля совпадает по направлению с вектором ГО ускорения свободного падения, а при сл f (B,cjji) - О указанные векторы направлены в противоположные стороны.