Спосіб лиття виробів

Предлагаемое изобретение относится к металлургии и литейному производству изделий из конструкционных литейных сплавов включая жаропрочные на никелевой основе. Известны способы плавки сплавов с перегревом до температуры гомогенизации, что обеспечивает улучшение свойств материалов и характеристик получаемых из них изделий (Баум Б.А. и др. Жидкая сталь. М., Металлургия, 1984, с. 210). В некоторых способах применяют комбинированный нагрев. Кроме электродугового и индукционного нагрева используют для рафинирования металла электронный луч. Известен способ выплавки легируемых сталей и сплавов (авт. св. №768821, кл. С 21 С 5/52, 1978), при котором весь расплав нагревают до температуры 1,20-1,35 ТЛик, охлаждают его в печи до температуры на 30150°С выше Тлик и выдерживают при этих температурах 20-60 мин. Недостатком данного способа является перегрев всего объема металла в плавильной емкости, что обусловливает активное взаимодействие расплава с футеровкой печи и загрязнение его неметаллическими включениями, приводящее к ухудшению его качества и снижению физико-механических свойств литых изделий, причем использование циклического режима нагрева незначительно уменьшает указанное взаимодействие металла и огнеупоров. Кроме того, применяемые в способе интервалы перегрева не обеспечивают достижения оптимальной степени гомогенизации, 1 количество циклов перегрева ограничено. Это приводит к тому, что получаемое повышение качества металла нестабильно, а иногда и вовсе отсутствует. Наиболее близким к предлагаемому является способ комбинированной выплавки сплавов (положительное решение по заявке № 4948702/02 от 30.04.91), предусматривающий перегрев расплава за счет индукционного нагрева до 1,20-1,35 Тлик, охлаждение и до I 1,05-1,1 Тлик и повторный нагрев электронным лучом до температуры 1,20-1,35 Тлик локально, в зоне фокального пятна электронного луча, при этом время воздействия определяют по приведенной формуле ί где пкр - кратность высокотемпературной обработки, W - объем расплава в тигле [м ]; С - объемная теплоемкость расплава [дж/м3К]; DΤ - температура перегрева в фокальном пятне [К];. Ρ - мощность электронного луча [Вт], а кратность повторного перегрева равна 2-5 при температуре в фокальном пятне 0,10,2 Тлик. Основными недостатками данного способа является следующее. Перегрев всего объема расплава за счет индукционного нагрева приводит к взаимодействию металла с футеровкой и загрязнению неметаллическими включениями, ухудшающими физико-механические свойства литых изделий. Жесткая зависимость времени нагрева от мощности электронного луча, которая в свою очередь связана с мощностью индукционного нагрева, затрудняет поддержание и регулирование температурно-временного режима обработки. Следствием этого является недостаточная гомогенизация расплава и снижение качества металла. Повторный перегрев расплава выше Т ГОм. за счет индукционного нагрева приводит к большему расходу электроэнергии по сравнению с лазерным нагревом, в связи с тем, что он является рассредоточенным и сопровождается большими потерями, чем нагрев лазером - концентрированным источником. В основу данного изобретения поставлена задача создания способа литья изделий, в котором в результате гомогенизирующего перегрева поверхностного слоя расплава лучом лазера обеспечивается устранение химической неоднородности и за счет этого повышается качество изделий. По сравнению с прототипом отсутствует прямая жесткая взаимосвязь между мощностью источника нагрева и временем обработки, благодаря чему можно строго регламентировать параметры многоцикловой гомогенизирующей обработки. В результате обработки происходит дробление и разрушение эвтектики и вторичных фаз, структура отличается мелким зерном и мелкодисперсностью фаз, имеющих глобулярную форму. Благодаря этому устраняется химическая неоднородность и обеспечивается повышение физикомеханических свойств металла. Сущность изобретения достигается тем, что после индукционного нагрева расплава до Т= 1,05-1,10 Тлик. обработку до температур, превышающих температуру гомогенизации, осуществляют лучом лазера. При этом обрабатывается только приповерхностный слой, а гомогенизация всего объема расплава достигается за счет его перемешивания и последовательного прохождения через зону лазерного воздействия. Кратность обработки, в данном случае, определяют по формуле где К - коэффициент равный отношению толщины обрабатываемого слоя к высоте металла в тигле; S [м2] - площадь поверхности расплава; V [м/с] - линейная скорость прохождения металла через зону воздействия луча лазера; t [с] - время обработки; Q [м3] - объем расплава. Сущность описываемого способа заключается в следующем. С помощью индукционного нагрева доводят температуру расплава до Т=1,05-1,10 Тлик. и поддерживают ее во всем объеме на данном уровне. При этом осуществляется электромагнитное перемешивание расплава. Для обеспечения его гомогенизации (устранения химической неоднородности), рафинирования и получения новых структурных фаз, получаемых только в результате волновых эффектов, используется лазерный луч. При этом нет необходимости перегревать весь объем металла. Мощность лазера поддерживается на таком уровне, чтобы до Тгом. перегревался только поверхностный слой, который постоянно обновляется в результате активного конвективного и электромагнитного перемешивания расплава, благодаря чему через зону обработки последовательно проходит весь металл. Таким образом обеспечивается высокое качество литых изделий за счет строгой регламентации многоцикловой обработки, устраняющей химическую неоднородность и рафинирующего воздействия лазерного луча. При этом в связи с тем, что отпадает необходимость перегрева всего объема расплава достигается экономия 15-20% электроэнергии. Получаемая ликвидация 20-25% брака, по сравнению с существующими технологиями, обеспечивает получение экономического эффекта в сумме 100 тыс.руб. на 1 т. жаропрочных никелевых сплавов. В Институте проблем литья в лабораторных условиях была проведена серия экспериментов по изучению влияния предложенного способа литья на качестве получаемых изделий, В качестве объекта исследований был взят высокопрочный алюминиевый сплав ВАЛ-10, содержащий 4,5-4,9% меди, 0,35-0,8% марганца, 0,070,25% кадмия, 0,15-0,35% титана. Для этого сплава характерна высокая прочность после термической обработки при низкой пластичности. Плавки проводили в индукционной печи с тиглем, вмещающем 5 кг. сплава, оснащенной лазером, мощностью 1 кВт. В ходе эксперимента контролировали температуру поверхности и время обработки. Площадь поверхности составляла 10 -2м2, объем расплава 1,5'10-3м3. Для данных условий, коэффициент, учитывающий соотношение толщины обрабатываемого слоя и размеры тигля, равен 5*10. Расплавленный металл заливали в кокиль и изготавливали из него образцы для определения механических свойств: относительного удлинения после разрыва на длине равной пяти диаметрам образца (05) и твердости по Бринеллю Η В. Полученные данные по изменению механических характеристик служили основной для определения степени эффективности влияния обработки лазером расплавленного металла. Оптимальные результаты были получены при следующем режиме плавки: скорость движения расплава 0,2 м/с, время обработки 600 с, температура расплава 810°С, перегрев 160°С, кратность обработки - 4, мощность лазера 1,0 кВт. Остальные режимы приведены в таблице. Исследование структуры металла показало, что осуществление с помощью лазера гомогенизирующей обработки приводит к значительному уменьшению размеров зерен: от 0,08-0,12мм до 0,02-0,03 мм. Происходит дробление обособленных включений и их равномерное распределение по объему. Изменение структуры приводит к существенному повышению пластических свойств. При этом прочностные характеристики литого металла близки к характеристикам металла после термообработки. Из приведенной таблицы следует, что наилучшие результаты достигаются при кратности обработки от 2 до 5. При дальнейшем повышении кратности происходит незначительное увеличение свойств при увеличении времени обработки, что снижает эффективность обработки. Оптимальные результаты получены при обработке по 7 режиму.