Способ изготовления монолитных заготовок путем намораживания

 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии. Цель изобретения - получение монолитных заготовок заданной формы по ее сечению и длине и повышение качества заготовки. Для этого на поверхности металлического расппава, помещенного в вакуум, с помощью электронных лучей создают температурное поле с изотермами, близкими к температуре кристаллизации расплава и повторяющими по форме сечение получаемой заготовки. Затем соприкосновением затравки с поверхностью жидкой ванны в месте, где изотермы эквидистанты контуру сечения заготовки, и последующим относительным перемещением заготовки и расплава осуществляют формирование заготовки , В процессе формирования заготовки ее геометрические размеры зависят от температурного поля жидкой ванны, которое определяет конфигурацию и размер фронта кристаллизации. Температурное поле формируют раздельным или совместным изменением положения электронно-лучевых зон нагрева, изменением интенсивности нагрева и охлаждения. Управление формированием структуры намораживаемого металла осуществляют путем раздельного или совместного изменения интенсивности теплоотвода через затравку и сформированную часть заготовки. Способ может быть использован в инструментальной, энергетической, электрической и других отраслях промышленности. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4293750/02 (22) 04,08.87 (46) 23.12.91. Бюл. М 47 (71) Институт электросварки им. Е,O.Патона (72) Б.А,Мовчан, В.А,Панна, Е,В.Черненко и

Н.А,Горба (53) 621.365.91 (088,8) (56) Баландин Г.Ф. Литье намораживанием.—

M.: Машгиз, 1962, с, 7-16.

Там же, с. 251. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОЛИТН ЫХ ЗАГОТОВОК ПУТЕ М НАМ О РА)КИ ВАНИЯ (57) Изобретение относится к специальной электрометаллургии, Цель изобретения— получение монолитных заготовок заданной формы по ее сечению и длине и повышение качества заготовки, Для этого на поверхности металлического расплава, помещенного в вакуум, с помощью электронных лучей создают температурное поле с изотермами, близкими к температуре кристаллизации расплава и повторяющими по форме сечеИзобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано в инструментальной, энергетической, электротехнической и других отраслях промышленности для получения различного вида заготовок: листа, прутка, фасонных изделий путем намораживания на затравку, погружаемую в расплав, Цель изобретения является получение заготовки заданной формы по ее сечению и длине и повышение качества заготовки, На фиг. 1 приведена принципиальная схема установки,с электронно-лучевым на„„. Щ„„1700074 А1

<я>5 С 22 В 9/22, В 22 D 23/04 ние получаемой заготовки. Затем соприкосновением затравки с поверхностью жидкой ванны в месте, где изотермы эквидистанты контуру сечения заготовки, и последующим относительным перемещением заготовки и расплава осуществляют формирование заготовки, В процессе формирования заготовки ее геометрические размеры зависят от температурного поля жидкой ванны, которое определяет конфигурацию и размер фронта кристаллизации. Температурное поле формируют раздельным или совместным изменением положения электронно-лучевых зон нагрева, изменением интенсивности нагрева и охлаждения. Управление формированием структуры намораживаЕмого металла осуществляют путем раздель-, Б ного или совместного изменения интенсивности теплоотвода через затравку и сформированную часть заготовки. Способ может быть использован в инструментальной, энергетической, электрической и других от раслях промышленности, 6 з.п. ф-лы, 9 ил. о гревом для осуществления предлагаемого способа; на фиг, 2 — температурные поля в расплаве перед погружением в него затравки; на фиг. 3 — то же, после погружения в него затравки; на фиг. 4 — 8 — температурные поля металла, находящегося в водоохлаждаемом тигле при различных интенсивностях нагрева и охлаждения; на фиг, 9 — принци. пиальная схема установки в варианте намораживания расплава на рабочую поверхность штампа, Установка содержит вакуумную камеру

1, водоохлаждаемый тигель 2 с метэлличе1700074 ским расплавом 3, электронно-лучевые пушки 4, осуществляющие нагрев поверхности расплава 3 в зонах 5 и пушку 6 для расплавления слитка 7, подаваемого снизу, механизм 8 вертикального перемещения затравки (не показан).

Способ осуществляют следующим образом.

В вакуумную камеру 1 (фиг. 1) помещают водоохлаждаемый тигель 2, заполнен ный металлическим расплавом 3, из, которого формируется заготовка. Электрон ными пушками 4 осуществляют нагрев по верхности жидкой ванны в зонах 5 так, что изотермы температур, близких к температуре кристаллизации, повторяют контур сечения заготовки. По мере расходования . сплава постоянный уровень жидкого метал,.ла поддерживают, расплавляя пушкой 6, по даваемый снизу слиток 7. Затравку 8 с помощью специального механизма погружают в расплав. Место погружения имеет

; изотермы с температурой Ткр, эквидистан,òíûå сечению получаемой заготовки, при чем Ткр = Tn+(20 — 50) С, где Tn — температура

;.начала кристаллизации сплава; Ткр — темпе ратура расплава, при которой при погружении затравки на ее поверхности происходит кристаллизация расплава.

На поверхности затравки за счет теплоотвода через нее начинает кристаллизоваться расплав. Геометрические размеры фронта 10 кристаллизации определяются положением изотермы, равной температуре кристаллизации, Последующим вытягиванием с линейной скоростью, равной скорости кристаллизации (метод непрерывного вытягивания), или последующим многократным погружением (метод повторных погру жений) осуществляют формирование заготовки.

Температурное поле жидкого. металла определяет градиент температур между зо-. нами нагрева и зонами охлаждения. На фиг.

4-8дан пример температурного поля металла, находящегося в водоохлаждаемом тигле. Металл нагревается в зонах 9.

Непосредственно возле водоохлаждаемого тигля металл находится в виде твердой фазы

11, Линии 12 равных температур — изотермы. Изменяя температурное поле, т,е. меняя положение изоте рмы, равной температуре Ткр, изменяют и положение фронта кристаллизации и, следовательно, сечение формируемой заготовки, Изменяя расположение зон электронно-лучевого нагрева, изменяют температурное поле жидкого металла.- На фиг. 5 и 8 показана кольцевая форма зоны нагрева, на фиг. 7 — в виде квадрата, Изменяя интенсивность электронно лучевого нагрева, формируют переменное температурное поле жидкой ванны.

На фиг. 5 интенсивность нагрева со5 ставляет 0,5 10 Вт/м, на фиг. 8 — интент г сивность нагрева 1,0 10 Вт/мг.

Изменяя интенсивность теплоотвода через тигель, формируют переменное поле жидкой ванны. На фиг. 4 расход охлаждаю10 щей воды составляет 25 л/мин, а на фиг, 5—

50 л/мин.

Одновременно изменяя месторасположение зон нагрева, интенсивность электронно-лучевого нагрева, интенсивность

15 теплоотвода охлаждением тигля, изменяют температурное поле жидкой ванны.

Изменяя время пребывания затравки или получаемой заготовки в соприкосновении с расплавом, т.е. периодически извле20 кая заготовку из расплава, осуществляют управление структурой намораживаемого сплава. Например, увеличивая время пребывания в расплаве, увеличивают прогрев твердой фазы. ее температуру. Следова25 тельно, кристаллизация будет проходить при меньшем перепаде температур, с меньшей скоростью. Это увеличивает размер кристаллизующихся фаз, Указанный способ управления процессом кристаллизации воэ30 можен при фс;:мировании заготовки методом повторных по -ружений.

Изменяя интенсивность теплоотвода через затравку и сформированную часть за" готовки, управляют формированием струк35 туры намораживаемого сплава, Например, уменьшают теплоотвод через затравку и сформировавшуюся часть заготовки дополнительным их электронно-лучевым нагревом. Тем самым повышают температуру

40 твердая фаза — жидкая фаза, уменьшают скорость кристаллизации и увеличивают размер кристаллизующихся фаз, Изменяя одновременно температурное поле, время погружения в расплав и интен45 сивность. теплоотвода через затравку или сформировавшуюся часть заготовки, управляют формированием структуры намораживаемого сплава.

Пример 1. Способ осуществляют на

50 серийной многоцелевой электронно-лучевой установке УЭ-193.

Установка состоит иэ следующих основных систем и узлов: собственно рабочей камеры, системы откачки, системы

55 управления технологическим процессом, привода перемещения затравки, электронно-лучевых пушек и системы их питания.

Система откачки позволяет получать вакуум

1 . 10 — 6 5 10 Па. Установка имеет

1700074

10 . 5

36

50

55 автоматизированную систему управления технологическим процессом, Привод перемещения намораживаемой заготовки позволяет осуществлять. ее вертикальное возвратно-поступательное движение, а также вращательное движение вокругдвух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости, параллельной поверхности жидкой ванны. Установка имеет шесть электронных пушек: четыре пушки ЭП вЂ” 101 мощностью 60 кВА и две ЭП-104 мощностью

100 кВА. Пушки двухэлектродные с линейным прямоканальным термокатодом, с электромагнитной системой управления электронным лучом. Силовой полупроводниковый источник питания электронных пушек имеет тиристорное управление, ускоряющее напряжение 20 — 25 кВ, В медный водоохлаждаемый тигель 2 (фиг. 9) размером 200х300х40 мм помещают исходный материал — быстрорежущую сталь

Р6М5, имеющую химический состав, j: С

0,83; Сг 4,0; W 5,7; V 1,9; Мо 5,3; St 0,3; Мп

0,25, На подвижном валу привода (не показан) закрепляют предварительно отожженную матрицу обсечного штампа 8 из стали

5ХНМ, Установку вакуумируют. По достижении рабочего давления1 . 10 — 6,5 10 Па включают электронные пушки. Лучами пушек 4 осуществляют расплавление материала в тигле и одной пушкой — нагрев рабочей кромки матрицы штампа, которая представляет собой выступ высотой 10 мм, толщиной

10 мм по контуру квадратного отверстия.

60х40 в плите матрицы штампа. По достижении температуры матрицы 1 l00 — 1150 С (контроль пирометром АПИР-С) матрица в, качестве затравки готова к намораживанию, К этому моменту расплавляют сталь в тигле.

С помощью ЭВМ, управляющей лучами, последние фокусируют в зонах 9 нагрева поверхности жидкой ванны 3.

Внутреннюю зону нагрева в виде квадрата размером на 30-35 мм меньше внут- 4 реннего размера рабочей кромки штампа образовывают равномерно развернутым по этой зоне лучом, мощностью 30 — 35 кВА.

Внешнюю зону 9 в виде полосы шириной

40 мм по контуру квадрата размером на 30 мм больше внешнего размера рабочей кромки штампа образовывают лучами пу-, шек 4 мощностью 40 кВА каждая.

Между зонами нагрева образовывают расплав, имеющий температурное поле с изотермами, эквидистантными рабочей поверхности штампа. Изотерма температуры на 20 — 50 C выше, чем температура образования твердой фазы, проходит по середине промежутка между зонами l3 нагрева.

Непосредственно перед началом процесса мощность луча пушки 9, осуществляющего подогрев матрицы штампа, увеличивают до оплавления поверхности, после чего пушки выключают, матрицу штампа поворачивают в положение, когда рабочая поверхность матрицы штампа параллельна поверхности жидкой ванны, и погружают в расплав на 2 — 3 мм. В указанных условиях процесс намораживания рабочей поверхности из стали Р6М4 толщиной 3 — 5 мм длится 5 — б с, после чего матрицу извлекают из жидкой ванны.

Рабочая поверхность такого штампа, после соответствующей термообработки имеет твердость HRC 63-67, что значительно выше, чем твердость кромки, выполненной из качественной штампрвой стали

5XHM (HRC 48 — 52). Кроме того, быстрорежущая сталь сохраняет прочностные свойства и стабильность структуры при более высоких температурах, чем сталь 5ХНМ, Все это повышает стойкость штампа в 4 раза.

Пример ", Получают из недеформируемого сплава заготовку сложной формы и заданной кристаллической структуры. В настоящее время заготовки для постоянных магнитов из сплава ЮНДК получают из-за его высокой хрупкости только способом литья и только простой формы из-за склонности к образованию литейных дефектов, поэтому указанный сплав может служить примером крайне нетехнологичного сплава.

Монолитный профиль переменного сечения формируют из сплава ЮНДК 12 состава, 7;; Nl 18,2; AI 9,9; Со 12,3; Си 6,5; Si 0,14.

Профиль представляет собой последовательно сочлененные профили квадрата

40х40 мм длиной 60, круга диаметром 56 мм длиной 40 мм, круга диаметром 80 мм и длиной 40 мм.

В водоохлаждаемый тигель размером

300x400xi70 мм помещают сплав и плавят лучами четырех пушек мощностью 30 кВА каждая. Затравку в виде стержня квадратного сечения 40х40 мм, расположенную вертикально над геометрическим центром тигля, подогревают до 1200 С лучом мощностью 10,0 кВА. При этом луч сканируют по поверхности затравки на длину 30 мм со стороны торца, расположенного над ванной жидкого металла.

После расплавления металла в тигле лучами четырех пушек создают температурное поле с изотермами в виде квадрата, геометрический центр которого совпадает с геометрическим центром тигля. Для этого лучи разворачивают по полосе шириной 3540 мм, расположенной по периметру квадрата со стороной 80 мм. Тогда внутри

1700074 квадрата образуется температурное поле с изатермами в виде квадрата, причем изотермы, образующие квадрат 40х40 мм, имеюттемпеРатУРУт р=ТЛ+(20 — 50) С, где Tn— температура начала кристаллизации, конт- 5 ролируемая с помощью пирометра АПИР—

С, При этом электронные пушки работают в следующем режиме; ускоряющее напряжение UycK = 20 кВ, ток лучей In = 1,1 — 1,2 А, . мощность 22 — 24 кВА. 10

После образования стационарного температурного поля затравку опускают до касания с поверхностью металла. Касание производят в геометрическом центре квадрата изотерм, После смачивания жидким 15 металлом торца затравки ей придают движение вверх со скоростью 5 — 6 мм/мин. Укаэанным способом получают заготовку сечением квадрат 40х40 мм и длиной 30 мм с ориентированными в сторону вытягивания 20 столбчатыми кристаллами. Площадь сечения кристалла 3-5 мм . В дальнейшем намо2 раживание ведут методом повторного погружения. Для сохранения площади сечения намораживаемого металла мощность 25 лучей увеличивают до 24-26 кВА. Намораживание ведут по режиму: погружение на глубину 1,0-1,5 мм на время 2 — 3 с — извлечение íà IO-15 с на высоту до 30 мм. Заготовку сечением квадрат 40х40 мм получают 30 за 25 циклов погружение — извлечение, Получают равноосную структуру со средним размером кристалла 0,5 — 1,0 мм

2 без видимых дефектов на макрошлифе.

Для получения сечения заготовки в виде 35 круга изменяют формутемпературного поля так, что изотермы представляют собой кольцо с внутренним диаметром 98 — 100 мм и

° наружным диаметром 180 мм. Нагрев производят равномерна го кольцу лучами четы- 40 рех пушек мощностью 30-32 кВА каждая (! л = 1,5. 1,6 А). Область с Т = Ткр + (20 50) С имеет в таком случае диаметр 56 мм, Заготовку формируют методом повторного погружения. При неизменном температурном 45 поле изменяют кристаллическую структуру намороженного металла. Заготовку диаметром 56 мм и длиной 20 мм намораживают по режиму 2 с погружение на глубину 1,0 мм, последующее извлечение из металла на 15 — 50

18 с. Получают равноосную структуру с размером кристаллов 25-80 м, Следующие 20

2 мм намораживают по режиму:-5 с погружения на глубину 1,0 мм — извлечение на 10 с.

Получают равноосную структуру с размером 55 кристаллов 80 — 120 мг.

Для получения сечения заготовки диаметром 80 мм температурное поле изменяют увеличением интенсивности теплоотвода, не изменяя параметров нагрева, для чего расход охлаждающей воды увеличивают с 20 до 36 л/мин, Зона температурного поля с Ткр = Тл + (20 — 50) С увеличивается до диаметра 80 мм. Методом непрерывного вытягивания получают 20 мм заготовки со средней скоростью 1,5 мм/мин. Получают структуру из ориентированных в сторону вытягивания кристаллов со средней площадью сечения 6-8 мм . Последующую криг сталлизацию выполняют с подогревом полученной заготовки лучом пятой пушки без изменения остальных параметров кристаллизации. Мощность луча 4 кВА.

Получают структуру из равноасных кристаллов со средней площадью сечения 1015 ммг.

Металлографическое исследование г:оказало, что по всему сечению наблюдается платная структура, отсутствие дефектов усадочного характера. Геометрические параметры заготовки минамально отличались от зада н н ы х.

Следовательно, предлагаемый способ формирования заготовок позволяет получать заготовку сплошной формы с регулируемой структурой.

Формула изобретения

1. Способ изготовления монолитных заготовок пу. . намораживания, включающий погружение затравки в металлический расплав в тигле и перемещение ее вверх относительна поверхности расплава, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью получения заготовки заданной формы по ее сечению и длине, повышения качества заготовки, поверхность расплава обогревают электронными лучами в вакууме, создают переменное температурное поле на поверхности расплава с изотермами, повторяющими форму сечения получаемой -аготовки, и с температурой, близкой к температуре кристаллизации расплава, причем погружение затравки в расплав осуществляют соосно изотермам, эквидистантным форме сечения заготовки.

2, Способ по и. 1, отличающийся тем, что переменное температурное поле формируют изменением положения эон электронно-лучевого нагрева.

3, Способ по и. 1, отл ич а ю щи и с я тем, что переменное температурное поле формируют изменением интенсивности электронно-лучевого нагрева.

4. Способ по и. 1, отл и ч а ю щи и с я тем, что .переменное температурное поле формируют изменением интенсивности охлаждения тигля.

5, Способ по пп. 1-4, отл и ч а ю щи йс я тем, что переменное температурное поле формируют одновременным изменением

1700074 положения зон электронно-лучевого нагрева, интенсивности электронно-лучевого нагрева, интенсивности охлаждения тигля.

6. Способ по пп. 1-5, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью управления структурой намораживаемого металла, затравку периодически извлекают из расплава.

7. Способ по и. 6, отличающийся тем, что изменяют интенсивность теплоот5 вода через затравку и (или) сформированную часть заготовки.

1700074

Т>Т

1700074

72

Фиг.7

1700074

Составитель С,Дзигоев

Техред М,Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор С.Пекарь

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4444 Тираж Подписное

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5