способ обработки заэвтектических силуминов в жидком состоянии

Формула изобретения

Способ обработки заэвтектических силуминов в жидком состоянии, включающий перемешивание расплава, отличающийся тем, что перемешивание осуществляют двумя многолопаточными роторами, расположенными соосно с зазором друг относительно друга, роторы вращают во встречном направлении со скоростями, создающими в расплаве градиент скоростей G_v не менее 200 1/с, величина которого определяется по формуле

G_v=( ₁r₁- ₂r₂)/(r₁-r₂ ),

где ₁, ₂ - скорости вращения внешнего и внутреннего роторов;

r₁ - внутренний радиус лопаток внешнего ротора;

r₂ - наружный радиус лопаток внутреннего ротора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при обработке литейных сплавов перед заливкой или в литейной форме.

Известны способы обработки литейных сплавов в жидком состоянии с целью их рафинирования, модифицирования или легирования, осуществляемые методами внешнего воздействия на металл: перемешивание, вибрация и т.п. Перемешивание производят специальным перемешивающим устройством, помещенным в жидкий металл. (В.М.Воздвиженский, В.А.Грачев, В.В.Спасский. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. - М.: Машиностроение, с.283-284).

Недостатком известных способов является малый уровень воздействия на металл, что приводит к слабым или неустойчивым эффектам по улучшению свойств сплавов.

Наиболее близким к заявляемому является способ обработки алюминиевых сплавов, включающий механическое воздействие на жидкий металл в тигле путем вращения погруженного в расплав ротора. В ходе процесса перемешивания вследствие трения в слоях расплава происходит обработка зародышей кристаллизации, при этом размер зерна кремния составляет до 80 мкм (Почкарев Ю.А. и др. Обеспечение качества отливок из цветных сплавов. Журнал «Литейное производство» №1, 2001 г., с.10-11).

Недостатком известного способа является низкий уровень обработки сплавов, т.к. при такой обработке практически отсутствуют эффекты модифицирования, особенно заэвтектических силуминов, из-за недостаточной величины градиента скоростей в расплаве G_v не более 50 1/с, величина которого определяется по формуле:

G_v= r/(R-r),

где - скорость вращения ротора;

r - радиус ротора;

R - радиус полости тигля.

Техническим результатом изобретения является повышение качества заэвтектических силуминов в жидком состоянии путем их перемешивания, т.е. улучшение их структуры за счет соударения в расплаве зародышей кристаллизации тугоплавкой фазы (зерен кремния) и их измельчения.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе обработки заэвтектических силуминов в жидком состоянии, заключающемся в перемешивании расплава, перемешивание осуществляется двумя многолопаточными роторами, расположенными соосно с зазором друг относительно друга, роторы вращают во встречном направлении со скоростями, создающими в расплаве градиент скоростей G_v не менее 200 1/с, величина которого определяется по формуле:

G_v=( ₁r₁- ₂r₂)/(r₁-r₂ ),

где ₁, ₂ - скорости вращения внешнего и внутреннего роторов;

r₁ - внутренний радиус лопаток внешнего ротора;

r₂ - наружный радиус лопаток внутреннего ротора.

При создании градиента скоростей в расплаве не менее 200 1/с происходит соударение зародышей кристаллизации тугоплавкой фазы (кремния - для заэвтектических сплавов) и их взаимное измельчение. В случае градиента скоростей меньше 200 1/с эффект модифицирования не обнаруживается, т.к. воздействие на твердую фазу мало.

Предложенный способ обработки поясняется чертежом, где изображена схема устройства для обработки заэвтектических силуминов в жидком состоянии.

Способ осуществляют следующим образом. В тигель 1 с расплавом 2, имеющим частично твердую фазу тугоплавкого компонента, погружают активатор, выполненный в виде внешнего 3 и внутреннего 4 соосных многолопаточных роторов с зазором между ними, приводят их во встречное вращение полыми осями 5 и 6 от управляемого привода 7 и выполняют перемешивание расплава. По полой оси 6 в расплав подают аргон с целью его рафинирования. В процессе обработки создают градиент скоростей в зазоре между роторами не менее 200 1/с. В процессе обработки всю дозу расплава прокачивают через зазор между роторами, при этом зародыши твердой фазы измельчаются и создают новые центры кристаллизации. При затвердевании обработанного расплава формируется измельченная структура. Градиент скоростей G_v при этом определяют по формуле:

G_v=( ₁r₁- ₂r₂)/(r₁-r₂ ),

где ₁, ₂ - скорости вращения внешнего и внутреннего роторов;

r₁ - внутренний радиус лопаток внешнего ротора;

r₂ - наружный радиус лопаток внутреннего ротора.

Обработка активатором заэвтектических силуминов в жидком состоянии сопровождается налипанием расплава на лопатки роторов. При извлечении из ванны вращающихся роторов капли жидкого металла под действием центробежной силы отрываются от их лопаток, происходит очистка роторов и подготовка их к последующей обработке расплава. Вращение внешнего ротора создает вращательное движение металла относительно неподвижного тигля, которое сопровождается образованием свободной поверхности расплава в виде параболоида вращения. Кроме того, встречное вращение роторов позволяет уменьшить скорости вращения каждого из них, что способствует уменьшению уровня вибрации и динамических нагрузок на роторы.

Для оценки влияния условий вращения роторов на свойства заэвтектических силуминов в жидком состоянии были выполнены эксперименты на лабораторной установке, состоящей из тигля с объемом рабочей цилиндрической емкости 40 дм³ и специально изготовленного устройства для перемешивания расплава, содержащего управляемый привод встречного вращения и активатор в виде двух соосных многолопаточных роторов. Внешний ротор имел следующие радиусы лопаток: наружный 0,15 м и внутренний r₁=0,1 м; внутренний ротор - наружный r₂=0,095 м и внутренний 0,060 м. В экспериментах был использован расплав АК21М2Н2,5.

Встречное вращение внутреннего ротора создает необходимый эффект модифицирования. Величина скорости вращения внутреннего ротора определялась из формулы градиента скоростей при ₁=11,5 рад/с, r₁=0,1 м, r₂ =0,095 м, G_v=200 1/с и составляла ₂=1,6 рад/с.

По полой оси внутреннего ротора в расплав подавался инертный газ - аргон с расходом 0,2 дм³/с с целью рафинирования. Время обработки во всех экспериментах было принято одинаковым - 360 с. Температура расплава перед обработкой составляла 750°С. После каждой обработки из тигля отбирали пробу расплава и заливали в кокиль для получения образцов диаметром 30 мм и высотой 500 мм. На образцах выполняли продольный осевой разрез и готовили микрошлиф. По микрошлифу средней части образца оценивали балл пористости по ГОСТ 1583-93 и определяли размер кремнистых выделений с применением металлографического микроскопа по методу Розиваля.

Условия и результаты экспериментов приведены в таблице.

№ п/п	Скорость вращения внешнего ротора, 1 рад/с	Скорость вращения внутреннего ротора, 2, рад/с	Градиент скоростей Gv, 1/с G v=( 1r1- 2r2)/(r 1-r2)	Балл пористости пробы металла	Средний размер зерна кремния, мкм
1	4	-4	156	4	90
2	5	-5	195	3	54
3	8	-8	312	3	33
4	11,5	-11,5	448	2	27
5	30	-30	1170	2	22
Примечания: 1. Знак у скорости вращения внутреннего ротора 2 обозначает направление его вращения относительно направления вращения внешнего ротора: - встречное, + попутное. 2. При малых скоростях вращения внутреннего ротора 2 (эксперименты №1 и №2) возникает эффект налипания расплава на лопатки внутреннего ротора, что может быстро вывести его из рабочего состояния.

Эффект измельчения зерна кремния уже в эксперименте №2 является показателем качества процесса, однако целесообразно вращение роторов выполнять в более жестких условиях (эксперименты №3, 4, 5), когда эффект модифицирования (измельчения зерен кремния) существенно выше.

Использование изобретения позволит улучшить качество обработки заэвтектических силуминов в жидком состоянии - снизить газонасыщенность сплава и измельчить зерна кремния, что в свою очередь повысит эксплуатационные свойства сплава.