Способ воздействия на расплавленный металл

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, в частности к средствам изменения структуры черных и цветных металлов и их сплавов посредством электромагнитных полей. В способе обработку проводят циклично, при этом расплав металла под давлением инертного газа на зеркало расплава подают из тигля печи в металлопровод, в котором одновременно с воздействием на расплав наносекундных электромагнитных импульсов осуществляют модифицирование и рафинирование расплава путем его продувки аэрозолью, состоящей из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, с расходом 10…18 л/мин⋅см², затем возвращают обработанный расплав в тигель печи, а количество циклов задают исходя из химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве. Изобретение позволяет повысить физико-механических свойства металлов и сплавов, а также качество получаемых из них отливок за счет эффективного воздействия на тонкую структуру расплава проведением его обработки наносекундными электромагнитными импульсами одновременно с рафинированием и модифицированием. 2 пр., 3 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, в частности, к средствам изменения структуры черных и цветных металлов и их сплавов посредством электромагнитных полей.

Известен способ ультразвуковой обработки жидкого и кристаллизующегося металла [Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский и др. // М.: Высшая школа. - 1987. - С. 224-291]. Суть метода состоит во введении излучателя ультразвуковых колебаний в объем расплавленного металла и воздействие механических ультразвуковых колебаний на расплавленный металл, вызывающих в нем кавитационные явления. Они приводят к дегазации расплава и повышению качества получаемых отливок. Основной недостаток использования ультразвуковой обработки заключается в малой устойчивости излучателя, поскольку он находится в расплавленном металле и подвергается воздействию высокой температуры и механических колебаний.

Известен способ воздействия лазерным излучением на алюминиевые расплавы [Перелома, В.А. Лазерное воздействие на жидкое и жидко-твердое состояние алюминиевых сплавов / В.А. Перелома, В.П. Лихошва // Литейное производство. - 1999. - №9. - С. 8]. Суть способа заключается в облучении расплава непрерывным или импульсным электромагнитным излучением. Проводят обработку поверхности расплавленного металла сфокусированным лучом путем перемещения его по поверхности, либо расфокусированным лучом, который охватывает всю поверхность. К недостаткам этого способа следует отнести невозможность обработки больших объемов металла, поскольку воздействие осуществляется через поверхность расплава.

Наиболее близким по технической сущности является способ воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл [Пат. 2198945, Российская Федерация, МПК С22В 9/22, С22D 10/00, С22F 3/00]. Известное техническое решение обеспечивает повышение жидкотекучести расплава и некоторое повышение физико-механических свойств получаемых отливок из алюминиевых сплавов. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- максимальная мощность и напряженность электромагнитного поля фиксируется вблизи излучателя на расстоянии от него не более 3 см, что не обеспечивает равномерность обработки расплавленного металла во всем объеме тигля печи;

- недостаточная эффективность при обработке больших объемов расплава;

- отсутствие эффекта рафинирования расплава;

- слабо выраженное модифицирование сплавов.

Все это в своей совокупности существенно снижает качество получаемых отливок, в особенности сложнопрофильных и тонкорельефных.

В основу изобретения положена задача повышения физико-механических свойств металлов и сплавов, а также качества получаемых из них отливок за счет эффективного воздействия на тонкую структуру расплава проведением его обработки наносекундными электромагнитными импульсами одновременно с рафинированием и модифицированием.

Указанная задача решается таким образом, что в способе воздействия на расплавленный металл, включающем обработку расплава наносекундными электромагнитными импульсами, согласно изобретению, обработку проводят циклично, при этом расплав металла под давлением инертного газа на зеркало расплава подают из тигля печи в металлопровод, одновременно с воздействием на расплав наносекундных электромагнитных импульсов осуществляют модифицирование и рафинирование расплава путем его продувки аэрозолью, состоящей из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, с расходом 10…18 л/мин⋅см2, затем возвращают обработанный расплав в тигель печи, а количество циклов задают исходя из химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве.

Одновременно с воздействием наносекундных электромагнитных импульсов обработка расплава наноструктурированным алмазным порошком обеспечивает эффективное модифицирование тугоплавкими частицами с формированием кластерных образований и центров кристаллизации расплава.

Обработка аэрозолью из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, вызывая рафинирование и модифицирование сплава, создает условия для повышения физико-механических свойств сплавов и получаемых из них отливок.

Обработка наносекундными электромагнитными импульсами в проходящем потоке расплава в металлопроводе обеспечивает максимальную эффективность воздействия электромагнитным излучением на структуру и свойства расплава, поскольку наибольшая мощность достигается вблизи излучателя.

Цикличность в обработке расплава и расход подачи аэрозоля 10…18 л/мин⋅см2 повышают экономичность обработки расплава. Количество циклов устанавливают в пределах - 1…3 в зависимости от химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве.

Наноструктурированный алмазный порошок состоит из тугоплавких ультрадисперсных частиц, которые являются эффективными центрами зародышеобразования при кристаллизации чугуна. Ультрадисперсный алмаз, или наноалмаз, - это углеродная структура, имеющая кристаллическую решетку типа алмаза и размеры 1…10 нм. На рисунке 1 представлено изображение наноалмаза, полученное средствами растровой электронной микроскопии (РЭМ).

В процессе производства алмазов взрывным способом образовывались алмазные частицы размером менее 100 нм. Они содержались в углеродной пыли, оседавшей на стенках камер. Открытие этих частиц принадлежит советским ученым ВНИИТФ города Снежинска В. Даниленко, В. Елину, К. Волкову [Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом / В.В. Даниленко. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 272 с]. Независимые разработки по синтезу ультрадисперсных алмазов велись в США, а в 1984 году началось опытно-промышленное производство наноалмазов в Бийске.

На фиг. - Изображение наноалмаза, полученное с помощью РЭМ.

Взрывной способ имеет ряд неоспоримых преимуществ перед статическим. Прежде всего, нет необходимости в металлах-катализаторах, примеси которых снижают прочность и термостойкость алмаза. Кроме того, параметры взрывного процесса, такие как давление, скорости нагружения, температуры сжатия и остаточные температуры, можно регулировать способом сжатия, подбором взрывчатого вещества с определенными свойствами, предварительным нагревом или охлаждением. В результате синтеза в сильнонеравновесных условиях получаются уникальные нанокристаллические структуры.

Главной особенностью данного метода является возможность получать наноалмаз непосредственно из содержащегося во взрывчатом веществе углерода. Для этого необходимо использовать составы с отрицательным кислородным балансом (количество кислорода меньше количества окисляемых компонентов), тогда свободный углерод конденсируется в наноалмазной фазе. Полученный продукт называется алмазной шихтой (смесь алмаза с неалмазными формами углерода). К взрывчатым веществам с отрицательным кислородным балансом относятся гексоген, тротил (ТНТ) и др.

Для определения среднего размера агрегатов и соотношения размерных фракций посредством ультразвукового диспергирования авторами получена суспензия диспергированного наноалмаза в воде с концентрацией частиц 0,1 мас. %. Размеры частиц в полученной суспензии определены прибором Zetasizer Nano ZS Malwern Instruments, результаты приведены в таблице 1.

Средний размер частиц, таким образом, составляет 133 нм, доля частиц размером менее 100 нм составляет 18,6%, что позволяет отнести используемый материал к наноструктурированному (наноструктурированный алмазный порошок). Он по сути является отходом производства, поскольку в настоящее время в основном используют порошки с размером частиц 5…10 нм.

Способ воздействия на расплавленный металл осуществляют следующим образом.

Производят давление (1,5…2,5)×105 Па инертного газа (аргона) на зеркало расплавленного металла и за счет этого осуществляют его подачу из тигля печи в металлопровод. При прохождении потока расплава в металлопроводе обрабатывают расплавленный металл наносекундными электромагнитными импульсами (импульсная мощность 1 МВт, частота повторения импульсов 1000 Гц, продолжительность импульса 10-9 с). Одновременно с этим продувают расплав аэрозолью из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему. Расход составляет 10…18 л/мин⋅cм2. Давление на зеркало расплава меньше 1,5×105 Па не позволяет осуществить его движение в металлопроводе. Если этот параметр будет больше 2,5×105 Па, скорость движения расплава по металлопроводу будет превышать допустимую скорость для эффективной обработки.

Рафинированный и модифицированный сплав возвращается в тигель печи, процесс циклически повторяется. Количество циклов 1...3 зависит от химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве. Максимальная величина - 3 цикла выбирается в случае повышенного количества в шихте вредных примесей и «засоренности» расплава неметаллическими включениями, а 1-го цикла достаточно, если количество примесей соответствует значениям, представленным в ГОСТе на марку сплава.

При соотношении между количеством инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка более 20 и расходе аэрозоля менее чем 10 л/мин⋅см2 резко падает эффективность рафинирования и модифицирования сплавов, если указанное соотношение меньше 20 и расход аэрозоля превышает 18 л/мин⋅см2, то неоправданно возрастает количество затрачиваемого наноструктурированного алмазного порошка.

Предлагаемый способ воздействия на расплавленный металл иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Расплавляют чугун (СЧ25) химического состава: 3,2% С; 0,2% Р; 0,12% S; 1,75% Si; 0,7% Mn; Fe - остальное. Плавильный агрегат - высокочастотная индукционная печь емкостью 20 кг с хромомагнезитовой футеровкой. Печь закрывается кожухом с металлопроводом. На зеркало расплавленного чугуна создается давление инертного газа (1,5…2,5)⋅105 Па. Расплавленный чугун поступает в металлопровод, где осуществляется его обработка в проходящем потоке с применением генератора наносекундных электромиагнитных импульсов мощностью в импульсе 1 МВт, частотой повторения импульсов 1000 Гц и продолжительностью одного импульса 10-9 с [Патент №2030097 РФ, МКИ Н03K 3/33, K3/45. Формирователь наносекундных импульсов / Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92]. Одновременно в металлопровод подается аэрозоль из инертного газа (аргона) и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему. После рафинирования и модифицирования расплав чугуна возвращается в тигель. Количество циклов - 1, поскольку содержание примесей не выходит за пределы ГОСТ 1412-85. Обработанный расплав заливается в формы для проб, которые изготовлены из песчано-глинистой смеси влажностью 3,5%. Для оценки структуры и механических испытаний получены цилиндрические пробы диаметром 30 мм и длиной 200 мм. Испытания на прочность проводили на разрывной машине INSTRON при скорости растяжения 2 мм/мин. Для сравнения осуществляют обработку расплавленного металла согласно прототипу.

Влияние рассматриваемых способов воздействия на свойства чугунных отливок представлено в таблице 2.

Пример 2. Расплавляют алюминиевый сплав АК12 химического состава: 12% Si; Fe - 1,5%; Al - остальное, сплав загрязнен неметаллическими включениями Аl2О3. Плавильный агрегат - печь сопротивления. Обработку осуществляют аналогично примеру 1, но количество циклов - 3, поскольку расплав «засорен» неметаллическими включениями, а содержание Fe (вредная примесь) выше допустимого ГОСТ 1583-93. Сравнительные показатели способов воздействия на алюминиевый расплав представлены в таблице 3.

Таким образом, полученные результаты показывают, что разработанный способ обеспечивает улучшение физико-механических свойств получаемых отливок и их качества за счет одновременного воздействия наносекундных электромагнитных импульсов, рафинирования и модифицирования сплавов, диспергирования их структуры под действием тугоплавких частиц наноструктурированного алмазного порошка и указанной электроимпульсной обработки в проходящем потоке расплава.

Способ обработки расплавленного металла, включающий обработку расплава наносекундными электромагнитными импульсами, отличающийся тем, что обработку проводят циклично, при этом расплав металла под давлением инертного газа на зеркало расплава (1,5…2,5)×105 Па подают из тигля печи в металлопровод, в котором одновременно с воздействием на проходящий поток расплава наносекундными электромагнитными импульсами осуществляют модифицирование и рафинирование расплава путем его продувки аэрозолью, состоящей из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, с расходом 10…18 л/мин⋅см2, затем возвращают обработанный расплав в тигель печи, а количество циклов задают в пределах 1…3, исходя из химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для последовательной термической обработки жидкого электропроводящего материала. Процесс включает плавление и рафинирование подлежащего обработке материала при различных давлениях в разных камерах обработки с источниками тепла.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при управлении плавкой в электронно-лучевой печи. В способе управляют сигналом местоположения электронного луча с помощью устройства генерации диаграммы сканирования электронного луча и направлением электронного луча в соответствии с управляющим сигналом, направленным в средство управления электронным лучом, обнаруживают пятна высокой интенсивности электронного луча, образованные электронным лучом на поверхности жидкого металла на поде или в кристаллизаторе, с помощью формирователя изображений, с помощью операционного устройства вычисляют разность местоположений между фактическим местоположением пятна высокой интенсивности электронного луча, обнаруженного формирователем изображения, и заранее заданным в начале процесса плавления местоположением, которое должно облучаться электронной пушкой, генерируют сигнал для коррекции вышеупомянутой разности местоположений, вычисленной операционным устройством, с помощью устройства испускания и осуществляют добавление корректирующего сигнала к управляющему сигналу с помощью устройства для добавления корректирующего сигнала, при этом управляют местоположением упомянутого пятна высокой интенсивности электронного луча так, чтобы вычисленная разность местоположений между фактическим местоположением пятна высокой интенсивности электронного луча, обнаруженного формирователем изображения, и заранее заданным в начале процесса плавления местоположением, которое облучают электронной пушкой, не превышала заранее заданное значение.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для плавки и литья химически активных металлов и их сплавов. Способ включает получение расплавленного металла в двух камерах, сообщающихся между собой с образованием гарнисажа в месте их сообщения, при этом в первой камере расплав получают с помощью электрической дуги между верхним расходуемым электродом и расположенным в кристаллизаторе нижним электродом и очищают расплав металла от газовых, легких и тяжелых примесей, осуществляют передачу расплавленного металла за счет проплавления гарнисажа из первой камеры во вторую камеру, в которой осуществляют доводку его путем электронно-лучевого нагрева, и последовательный слив очищенного расплавленного металла в кристаллизатор.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению высококачественных слитков и заготовок изделий из легированных интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для плавки и литья высокореакционных металлов и сплавов. В способе регулируют подачу расплава из первой камеры во вторую с обеспечением герметичности между ними посредством установленной в месте сообщения камер охлаждаемой вставки из переплавляемого металла, которую проплавляют по центру с помощью независимого источника плавления, при этом величину проплавляемого отверстия во ставке регулируют с обеспечением пропускной способности, соответствующей объему очищенного расплава.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для плавления и литья металлического материала. Устройство содержит плавильное пространство, пространство рафинирования, соединяющееся по текучей среде с плавильным пространством, приемный резервуар, соединяющийся по текучей среде с пространством рафинирования, содержащий первую зону выпуска металлического материала в первом положении в приемном резервуаре и вторую зону выпуска металлического материала во втором положении в приемном резервуаре, и по меньшей мере один источник энергии для плавления металлического материала, выбранный из группы, состоящей из электронно-лучевой пушки и плазменного генератора, причем приемный резервуар дополнительно содержит первый проточный канал расплавленного материала, определяемый в первом положении, если по меньшей мере один источник энергии для плавления сконфигурирован и используется для направления энергии в первую зону выпуска, обеспечивая поток расплавленного материала в первой зоне выпуска, и второй проточный канал расплавленного материала, определяемый во втором положении, если по меньшей мере один источник энергии для плавления сконфигурирован и используется для направления энергии во вторую зону выпуска, обеспечивая поток расплавленного материала во второй зоне выпуска.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства слоистых слитков. Способ включает плавление металлической шихты и рафинирование получаемого расплава, при этом осуществляют плавление металлической шихты и рафинирование получаемого расплава в тигле, разделенном на секции проплавляемыми пластинами, состав которых соответствует составу загружаемой в каждую секцию тигля металлической шихты, путем поочередного проплавления с помощью электронно-лучевых пушек в каждой секции шихты и упомянутой проплавляемой пластины с получением металлического расплава, который сливают в один кристаллизатор через сливы в тигле для формирования слоистого слитка, при этом перед загрузкой шихты место слива металлического расплава в каждой секции закрывают предварительно очищенной от примесей металлической пластиной.

Изобретение относится к переработке лейкоксеновых концентратов с высоким содержанием кремния. Способ и устройство для переработки упомянутых концентратов основаны на плазменно-дуговой восстановительной плавке концентрата при температуре 2500-3000 К и атмосферном давлении.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермической технике. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону.
Изобретение относится к области металлургии. Для повышения надежности холоднодеформированных металлических изделий за счет повышения их пластичности и вязкости без снижения показателей прочности и твердости, а также снижения продолжительности обработки изделие после холодного пластического деформирования подвергают воздействию пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, имеющим частоту, соответствующую частоте собственных колебаний обрабатываемого изделия, и звуковое давление 100-145 дБ при температуре от -20°С до +5°С..

Изобретение может быть использовано при изготовлении поршня (10) для двигателя внутреннего сгорания. Край и/или дно полости (14) камеры сгорания подвергают обработке оплавлением, глубину которой изменяют в окружном направлении.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу светопоглощающих покрытий, используемых при термической обработке углеродистых сплавов. Светопоглощающее покрытие для изделий из углеродистого сплава содержит оксид меди и связующее - оксиэтилцеллюлозу, силикат натрия или калия и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид меди 4,2-4,8, оксиэтилцеллюлоза 4,0-4,4, силикат натрия или калия 25,0-26,5, вода - остальное.

Способ индукционного упрочнения почвообрабатывающего рабочего органа предназначен для использования в сельхозмашиностроении, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к способам обработки металлов с использованием магнитных полей, и может быть использовано для обработки твердотельного порошкообразного магнитного и немагнитного материала в переменном магнитном поле для модификации структурно-зависимых свойств этих материалов.

Изобретение относится к инструментальному производству и может быть использовано для упрочнения поверхности стальных деталей, подвергающихся износу в процессе эксплуатации.

Изобретение относится к получению метаматериалов из структурных элементов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов и может быть использовано в машиностроении и электронике в качестве материалов с улучшенными свойствами.

Изобретение относится к области сварки. Способ сварки металлов включает наложение циклической вибрационной нагрузки на кристаллизующийся металл сварочной ванны, частота которой за один цикл ее наложения изменяется по линейному закону в диапазоне от 50 до 250 Гц.

Изобретение относится к литейному производству. .

Изобретение относится к способу лазерной нагартовки и изделию для лазерной нагартовки. .

Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению свинцово-цинковых штампов. Способ включает изготовление моделей матрицы и пуансона и отливку по ним матрицы и пуансона.

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, в частности к средствам изменения структуры черных и цветных металлов и их сплавов посредством электромагнитных полей. В способе обработку проводят циклично, при этом расплав металла под давлением инертного газа на зеркало расплава подают из тигля печи в металлопровод, в котором одновременно с воздействием на расплав наносекундных электромагнитных импульсов осуществляют модифицирование и рафинирование расплава путем его продувки аэрозолью, состоящей из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, с расходом 10…18 лмин⋅см², затем возвращают обработанный расплав в тигель печи, а количество циклов задают исходя из химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве. Изобретение позволяет повысить физико-механических свойства металлов и сплавов, а также качество получаемых из них отливок за счет эффективного воздействия на тонкую структуру расплава проведением его обработки наносекундными электромагнитными импульсами одновременно с рафинированием и модифицированием. 2 пр., 3 табл., 1 ил.

Наверх