способ модифицирования структуры литого металла

Формула изобретения

1. Способ модифицирования структуры литого металла, включающий пропускание переменного электрического тока через затвердевающую отливку, отличающийся тем, что пропускают ток синусоидальной или импульсной формы с частотой выше 5,0 кГц и плотностью от 110³ до 110⁵ А/м².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования заданного распределения зерна по сечению отливки пропускают ток через границу раздела твердое - жидкое в направлении, близком к нормали, с заданным изменением его частоты.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к литейному производству любых металлов и сплавов и может быть использован во время кристаллизации для измельчения размеров зерна по всему объему отливки или в заданных ее частях, одновременно позволяя снизить концентрационную неоднородность и воздействовать на дендритную составляющую структуры.

Известен способ [1] воздействия постоянным электрическим током на структуру сплава, разработанный для установки "Кристалл ЕМ" и сплава ЮНДК35Т5. Способ позволяет изменять структуру отливки за счет изменения направления постоянного тока относительно границы кристаллизации. Металлический образец плавится переменным током высокой частоты в зоне, охватываемой индуктором, индуктор перемещается относительно образца. Вслед за ним перемещается граница кристаллизации. Если положительный потенциал подается на расплав, а отрицательный на закристаллизовавшуюся часть образца, то зерно получается мельче, чем в образцах, не подвергнутых электрическому воздействию. Смена полярности источника тока приводит к возникновению дендритной структуры в образцах.

Рассмотренный способ модифицирования структуры металла разработан для конкретного типа установки и для определенного сплава. Способ не влияет на химическую неоднородность сплава по сечению отливки. Размер зерна определяется не параметрами электрического воздействия, а условиями охлаждения и направлением постоянного тока.

Кроме того, известен способ получения непрерывнолитого металла с пропусканием электрического тока (постоянного, переменного или импульсного) через кристаллизующийся расплав при его транспортировке и охлаждении, когда электрический ток подводят к металлическому кристаллизатору, а отводят через поддерживающие устройства в зоне вторичного охлаждения [2].

Рассмотренный способ получения слитка относится только к установкам непрерывного литья металла, при практической реализации метода возникают трудности с подводом электрического тока через подвижный контакт, приводящие к повышенным значениям электрического напряжения. При плотности тока 10⁴ А/м² и сопротивлении подвижного контакта 10^-1 Ом падение напряжения на этом переходе составит 10³ В, что не допустимо по правилам техники безопасности, мал коэффициент полезного действия способа.

Задачей предлагаемого способа модифицирования структуры литого металла является измельчение зерен, снижение химической неоднородности по сечению отливки и повышение механических свойств литого металла при любом способе получения отливок, снижение требуемых для модифицирования металла значений электрического напряжения до безопасных величин, повышение кпд.

Поставленная задача решается тем, что через затвердевающую отливку пропускают электрический ток синусоидальной или импульсной формы с частотой выше 5,0 кГц и плотностью от 110³ до 110⁵ А/м². Для формирования заданного распределения зерна по сечению отливки пропускают ток через границу раздела твердое-жидкое в направлении, близком к нормали, с заданным изменением его частоты.

Подвод электричества к расплавленному металлу осуществляют через неподвижные электроды, контактирующие с жидким или твердым металлом. Во втором случае один из электродов всегда контактирует с жидким металлом, а второй электрод контактирует с жидким металлом только в начальный момент заполнения формы, с началом кристаллизации через затвердевший металл.

Метод базируется на использовании тока с частотой от 5 кГЦ и выше. Позволяет регулировать значение средней энергии свободных электронов и управлять процессом термогенерации - рекомбинации свободных электронов, что приводит к заполнению валентных уровней ионов расплавленного металла, снижая при этом вероятность установления межкластерных связей. Дополнительно электрический ток при пересечении границы раздела жидкость - твердое тело смещает существующий там потенциальный барьер и избыточный заряд, связанные с градиентом электронной концентрации. Смещение избыточного заряда внешним электрическим полем в сторону жидкой фазы приводит к образованию устойчивых межкластерных связей. Смещение этого же заряда в сторону твердой фазы блокирует образование связей, но ускоряет диффузионные процессы, что приводит к увеличению размеров зерен. Регулируя частоту внешнего поля добиваются требуемого в данной области отливки размера зерен. Подводимая к кристаллизующемуся металлу дополнительная мощность практически не влияет на температуру расплава. Плотность тока, используемого для модифицирования структуры отливки, изменяется в пределах от 110³ до 110⁵ А/м². Использование импульсного тока со скважностью более 2 позволяет вести модифицирование в режиме экономии энергоресурсов. Совокупность регулируемых параметров позволяет влиять на размер зерна в любом металле, выравнивать химическую неоднородность и распределение легирующих элементов и примесей. Источник тока, в котором одновременно используется регулирование всех параметров, необходим только в случае выбора параметров регулирования на стадии отработки технологии или при использовании для литья нескольких различных по составу сплавов или металлов, во всех остальных случаях частотное регулирование можно исключить. Амплитудное значение тока определяется площадью сечения отливки, значением плотности тока и составом кристаллизующегося металла, причем для цветных металлов оно выше, чем для черных.

Заявителю не известны технические решения, в которых описаны способы влияния на химическую неоднородность отливки любого металла или сплава, а также способы управления размерами зерен без изменения химического состава отливки или отвода тепла от кристаллизующегося расплава. Не известны методы управления кристаллизацией, пригодные для любых металлических материалов и для любого способа литья. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "существенные отличия". Предлагаемый способ модифицирования структуры отливок реализуется в установках непрерывной разливки следующим образом. Один из зажимов генератора переменного тока присоединяется к корпусу кристаллизатора, второй зажим присоединяется к электроду, вводимому в расплавленный металл в стальковше или промковше. Электрод можно использовать расходуемый или охлаждаемый. Переменное напряжение заданной частоты включается одновременно с началом подачи жидкого металла в кристаллизатор. Параметры электрического тока, формируемые генератором, определяются в процессе отработки технологического процесса и поддерживаются в соответствии с утвержденной технологией. По окончании работы установки источник тока отключается. В качестве источника переменного тока можно использовать электромеханические генераторы с синусоидальной формой сигнала, работающие на частотах выше 5 кГц, или импульсные генераторы с тем же нижним значением генерируемой частоты. В целях экономии энергоресурсов можно использовать импульсы малой длительности (наносекундного диапазона), поскольку длительность импульса и среднее значение тока не влияют на результат модифицирования структуры. Основное влияние оказывает амплитудное значение плотности тока. Положительный эффект от пропускания электрического тока проявляется для сплавов на основе железа при плотностях тока 10³ А/м² и более, причем для каждого материала нижний предел плотности тока устанавливается в процессе отработки технологии. Реализация способа в других литейных установках предполагает введение электродов в расплавленный металл в двух точках формы таким образом, чтобы отливка имела минимальное сечение в перпендикулярной направлению электрического тока плоскости.

При формировании отливок с заданным распределением размеров зерна в различных сечениях или в отливках сложной конфигурации используется программируемый источник тока, а размещение электродов, их количество и способ коммутации определяются на основании предварительных исследований. В этом случае система электродов должна обеспечивать протекание тока в направлении, близком к нормали поверхности раздела твердой и жидкой фаз отливки.

Предлагаемый способ позволяет модифицировать структуру любого металла при любом способе литья. При использовании частотного способа регулирования размеров зерен и диапазона частот на пределе вытеснения тока на поверхность проводника предоставляется возможность измельчения зерна в десятки раз по сравнению с получаемым в обычных для данного способа литья условиях.

Источники информации

1. Влияние полярности и плотности постоянного электрического тока на структуру сплава ЮНДК35Т5. / Леонтьев И.В., Гаврилин Н.В., Силерев А.Е., Власов В. Г. , Захаров В.П.// Металловедение и термообработка металлов. М.: Металлургия, 1978, 5, c. 49...52.

2. Способ модифицирования структуры литого металла./ Патент RU 2027544С1, кл. B 22 D 27/02, 27.01.1995.