способ воздействия на расплавленный металл магнитно-импульсным полем и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, включающий обработку расплава на основе алюминия электромагнитными колебаниями, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем создания внутри расплава однополярных электромагнитных импульсов тока длительностью 150-180 мкс и мощностью до 5 кВ.

2. Устройство для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, содержащее индуктор, выполненный в виде многовитковой спирали, отличающееся тем, что на спираль напылен слой Al ₂O₃, а витки спирали индуктора зафиксированы путем заливки в магнитно-прозрачном керамическом корпусе.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что использована заливочная смесь, содержащая маршалит, жидкое стекло и воду.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к средствам изменения физической структуры алюминиевых сплавов иным путем, чем термообработкой или деформацией, в частности посредством магнитно-импульсного поля, и могут использоваться в металлургической и машиностроительной промышленности.

Известен способ воздействия на расплавленный металл электромагнитными колебаниями (см. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М.: Наука, 1997, стр.251-253). Суть этого воздействия состоит в том, что в качестве источника колебаний используется генератор синусоидальных колебаний с частотой 100 МГц. Поле действует на поверхность расплавленного металла, который находится в алундовом тигле.

К недостаткам этого способа воздействия следует отнести то, что облучается малое количество металла, поскольку воздействие осуществляется через его поверхность.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ управления процессом кристаллизации из расплава путем регулирования интенсивности перемешивания и гомогенизации под действием постоянных электрического и магнитного полей, ориентированных поперек друг друга (патент США №5333672, В22D 27/02, 1994).

Однако, как видно из приведенных значений режимных параметров, данный способ энергоемкий. Также к его недостаткам следует отнести повышенную электрическую и электромагнитную опасность. Кроме того, аппаратурное оформление данного способа предусматривает наличие громоздкого электросилового оборудования.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство, с помощью которого осуществляется воздействие ИМП (см. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. Харьков, издательское объединение «Вища школа», 1977, стр.140-141). Это цилиндрический витой индуктор на раздачу. Главный элемент индуктора - спираль рабочей обмотки из медной шины прямоугольного сечения. В качестве изоляции шины используется лавсановая пленка. Прямоугольная шина изолируется пленкой в несколько проходов. Поверх лавсановой пленки наматывается два слоя хлопчатобумажной пряжи либо стеклоленты. Спираль наматывается на изоляционную болванку из текстолита. После намотки спирали на болванку, когда витки ее уложены еще не плотно, пространство между витками заполняется герметиком. Затем на прессе с помощью изоляционного кольца спираль уплотняется в осевом направлении. Кольцо после сжатия спирали фиксируется штифтом. На рабочую часть индуктора для защиты витковой изоляции от механических повреждений наносится изоляционный слой.

К недостаткам этого устройства следует отнести неработоспособность при высоких температурах.

В основу изобретения поставлена задача повысить эффективность воздействия за счет увеличения объема обрабатываемого металла при одновременном уменьшении стоимости установки и энергозатрат и работоспособность при высоких температурах.

Данная задача решается за счет того, что в способе воздействия электромагнитного излучения на расплавленный металл, включающем обработку расплава металла электромагнитными колебаниями, согласно изобретению обработку осуществляют путем создания внутри расплава однополярных электромагнитных импульсов тока, представляющих собой синусоидальные затухающие сигналы с длительностью порядка 150...180 мкс и мощностью до 5 кВ.

В устройстве для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, содержащем индуктор, выполненный в виде многовитковой спирали, согласно изобретению на спираль нанесен слой Al₂ O₃, а витки спирали зафиксированы путем заливки индуктора в магнитно-прозрачный керамический корпус.

Кроме того, в состав заливочной смеси входит маршалит, жидкое стекло и вода.

На чертеже представлен индуктор, в состав которого входит: 1 - токовыводы; 2 - витки; 3 - магнитно-прозрачный керамический корпус.

Выбор оксида Al₂ O₃ в качестве напыляемого слоя обусловлен следующими факторами. Во многих агрессивных средах, особенно при высоких температурах, оксиды значительно более стойки по сравнению с карбидами, боридами и нитридами. К специфическим свойствам оксидов следует отнести их низкую теплопроводность и электропроводность. Большинство оксидов, применяемых для напыления покрытий, имеют высокую температуру плавления. Усиление и фиксация витков были достигнуты путем заливки индуктора в магнитно-прозрачный керамический корпус. Заливочная смесь состояла из маршалита, жидкого стекла и воды. Такой состав используется для окрашивания рабочих поверхностей тиглей и кокилей.

Введение облучателя непосредственно в объем расплавленного металла в совокупности с использованием в качестве электромагнитных колебаний довольно коротких, но достаточно мощных импульсов позволяет повысить эффективность воздействия электромагнитного излучения на расплавленный металл и снизить стоимость такой обработки. Погружной индуктор, перемещаясь, позволяет обрабатывать большие объемы расплава.

Предлагаемые способ и устройство обработки металла были испытаны экспериментально. Объектом исследования служили силумины марки АК9 ч и АК6М2. Заранее приготовленную шихту в виде чушек весом 600 г расплавляли в лабораторной печи сопротивления в тигле. Контроль и поддержание температуры расплава на заданном уровне осуществляли с помощью термопар типа ХА и контактного пирометра «Луч - А1». Расплав перегревали до 720°С, после чего в него погружали индуктор и производили обработку ИМП по заданной программе. Далее расплав переливали в подогретый графитовый тигель. Тигель с расплавом устанавливали на огнеупорное основание и накрывали асбестовой крышкой, в которой крепилась термопара. Показания милливольтметра фиксировали каждые 5 секунд до полной кристаллизации расплава.

Анализ кривых охлаждения показал, что при охлаждении расплава, предварительно обработанного ИМП, фаза (А1) начинала кристаллизоваться при более низкой температуре. Также наблюдалось уменьшение величины переохлаждения сплава. Обработка расплава ИМП несколько увеличила скорость образования фазы (А1). Воздействие ИМП на расплав способствует выравниванию (перераспределению) содержания основных легирующих элементов (Si, Mg) по высоте отливки и в то же время их перемещению в верхние зоны. Характер распределения более тяжелых элементов Fe и Mn - обратный (обогащение нижних зон). Обработка ИМП уменьшила пористость отливок с 2-3 бала до 1-2 бала. При этом отсутствовали крупные поры (более 0,25 мм); микроструктура сплава, обработанного ИМП, характеризуется наличием более измельченных кристаллов FeSiAl ₅ и эвтектического кремния, а также увеличением объема эвтектических фаз.

Далее проведены эксперименты по изучению воздействия ИМП на механические свойства силумина АК6М2. Расплав обрабатывали при температуре 720-750°С. Установлено положительное влияние параметров ИМП на механические свойства литого сплава АК6М2: максимальные значения свойств достигнуты при определенных параметрах ( _B=213 МПа, =3,5%). По сравнению с необработанным расплавом повышение _B составило 16%; наиболее существенно увеличилась пластичность - на 56%.

В результате эксперимента был сделан вывод, что кратковременная обработка жидких силуминов ИМП способствует улучшению строения отливок (выравнивание химического состава, снижение пористости, измельчение микроструктуры), изменению кинетики кристаллизации сплава (увеличение скорости кристаллизации фаз, уменьшение величины переохлаждения и снижение температуры фазообразования). Эти изменения вызывают улучшение физико-механических и эксплуатационных характеристик отливок.