Спосіб фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів та сплавів

Корисна модель стосується галузі металургії і ливарного виробництва, а саме моделювання процесів кристалізації виливків і зливків з чорних і кольорових металів. Відомий спосіб одержання монокристалів Чохральського (мал 2.1, с.70) [1] полягає в тому, що монокристал 4 витягується з розплаву 3, який знаходиться в широкому тиглі 2 на затравлювальному кристалі (затравці) 5. Спочатку затравку підводять до поверхні розплаву і після підплавлення починають повільно витягувати разом зі зростаючим монокристалом. Спосіб Чохральського має такі недоліки. 1. Наявність затравки передбачає моделювання тільки монокристалічної кристалізації з певною кристалографічною орієнтацією. 2. Для виявлення кристалічної структури одержаний монокристал треба розрізати на макротемплети і останні протравити. 3. Вертикальне витягування з розплаву обмежує швидкість кристалізації дуже малими значеннями, що робить неможливим моделювання кристалізації виливків або зливків з великою швидкістю. Прототипом вибраний відомий метод зонної плавки [1], а саме її горизонтальний варіант (мал.2.4, с.73). Крізь виливок 1 у тиглі 2 у вигляді довгого човника переміщують вузьку розплавлену зону, яка утворюється рухомим нагрівачем 3. Для одержання монокристалу заданої орієнтації на початку виливка встановлюють затравку 4. У випадку застосування виливка з легкоплавких металів і сплавів цей метод можна використати для моделювання процесів кристалізації виливків і зливків. Але при цьому цей метод має такі недоліки. 1. Розплавлення обмеженої вузької зони дозволяє моделювати одержання тільки монокристалічних виливків і зливків. 2. Наявність об'ємного виливка з відносно великими пересіченнями обмежує швидкість кристалізації і перетворює моделювання в довготривалий процес. 3. Для виявлення кристалічної структури, що є основною метою моделювання, з виливка треба виготовити металографічний шліф. Це пов'язано з суттєвими додатковими витратами. В основу корисної моделі поставлено завдання розроблення способу фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів та сплавів для моделювання основних видів кристалізації, а саме: з різним розміром литих зерен, спрямованої кристалізації, утворення монокристалів зі швидкістю яка може змінюватися в широкому діапазоні, що сприяє поліпшенню технології одержання та якості реальних виливків і зливків. Вирішення цього завдання досягається тим, що спосіб фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів та сплавів, що включає покривання зразка шаром олова, його нагрівання до плавлення олова та подальше охолодження, згідно з корисною моделлю, зразок з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, розміщують на плоскому нагрівачі до повного розплавлення олова, а охолодження здійснюють на плоскому мідному водоохолоджувальному кристалізаторі при пересуванні з регульованою швидкістю. На відміну від методу зонної плавки, взятому за прототип, коли крізь виливок в тиглі у вигляді довгого човника переміщують вузьку розплавлену зону, утворену вузьким нагрівачем, і одержують монокристалічну структур у, виливок являє собою тонкий (порядку 3-5мкм) шар олова, тигель виконується у пропонованому винаході у вигляді плоскої пластини - зразка з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, нагрівач виконується плоским і широким, щоб забезпечити розплавлення шару олова по всій поверхні зразка, охолодження здійснюється на плоскому водоохолоджувальному мідному кристалізаторі при пересуванні плоскої пластини-зразка в напрямку кристалізатора з регульованою швидкістю. Тонкий шар олова дозволяє виявити кристалічну структуру моделі зливка або виливка без додаткового механічного оброблення. Тигель у вигляді плоского металевого зразка дозволяє в сукупності з плоским широким нагрівачем розплавити одночасно весь шар олова. Водоохолоджувальний кристалізатор дозволяє здійснювати швидке охолодження частини зразка з рідким шаром олова, яка знаходиться на плоскій поверхні цього кристалізатора. Регульована швидкість переміщення зразка з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, в сукупності з плоским водоохолоджувальним кристалізатором дозволяє створювати умови для керованої кристалізації, що моделює будь-які види кристалізації від дрібнозернистої рівновісної до спрямованої і монокристалічної. Використання зразка з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, дозволяє моделювати умови теплопередачі за рахунок теплопровідності прикристалізації реальних виливків і зливків з певних металів або сплавів. У технічному рішенні, що заявляється, нові технічні ознаки при взаємодії з відомими дають новий технічний результат, що дозволяє вирішити поставлене завдання. Це забезпечує всій заявленій сукупності ознак відповідність критерію "новизна" та приводить до нових технічних результатів. Аналоги, які містять ознаки, що відрізняються від прототипу, не знайдені, рішення явним чином не випливає з рівня техніки. Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що запропоноване технічне рішення задовольняє критерій "винахідницький рівень". Ідея корисної моделі пояснюється на Фіг.1, де зображена схема пропонованого засобу моделювання процесів кристалізації виливків і зливків. Зразок 2 у вигляді плоскої металевої пластини з нанесеним не неї шаром олова 1 розташований на плоскому нагрівану 3. Безпосередньо біля нагрівача 3 розташований мідний водоохолоджувальний кристалізатор 4. Для забезпечення функціонування корисної моделі зразок 2 розміщується повністю на плоскій поверхні нагрівача 3. Нагрівай 3 нагріває зразок 2 до температури плавлення олова. Після розплавлення олова зразок з певною заданою швидкістю переміщується на водоохолоджувальний кристалізатор 4, де зразок охолоджується, а розплавлене олово кристалізується, утворюючи двомірні кристали. На відміну від прототипу розплавлення всього шару олова на поверхні металевого зразка з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, створює передумови для моделювання не тільки монокристалічної, але і полікристалічної структури. Регульована швидкість переміщення зразка в напрямку водоохолоджувального кристалізатора дозволяє змінювати як форму макрозерен, так і їх спрямованість. Наявність водоохолоджувального кристалізатора дозволяє в широких межах змінювати розміри макрозерен. Спосіб фізичного моделювання процесів кристалізації був випробуваний на прямокутних металевих зразках розміром 2x20x200мм. На зразки був нанесений гальванічним способом шар олова товщиною 3-5мкм. Потім зразок встановлювали на плоский нагрівач і витримували до розплавлення олова, після чого за допомогою штовхача пересували на плоский водоохолоджувальний кристалізатор. Після охолодження зразка виявляли макроструктуру травленням у розчині соляної кислоти або повторним гальванічним покриттям. Результати фізичного моделювання наведені на Фіг.2. При великій швидкості пересування зразка утворюється дрібнозерниста рівновісна структура 5. Зниження швидкості пересування, що відповідає зменшенню швидкості охолодження виливків або зливків, приводить до збільшення розмірів макро зерен. Утворюється крупнозерниста рівновісна структура 6. При дуже повільній швидкості охолодження моделюється ефект спрямованої кристалізації 7. Виходячи із вищевикладеного, можна зробити висновок, що пропоноване технічне рішення задовольняє критерій "промислове застосування". Джерела інформації: 1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Качанов и др. - М.: Машиностроение, 1997. - 336с.