Пристрій для 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. Аналогом пропонованого пристрою можна вважати пристрій Чохральського для одержання монокристалів (мал.2.1, с.70) [1]. Цей пристрій складається з муфельного нагрівача 1, тигля 2 з розплавом 3, затравки 5 з виливком 4. Як пристрій для моделювання, він має такі недоліки. 1. Дуже повільна швидкість витягування принципово обмежує моделювання процесу утворення дрібнозернистої полікристалічної структури. 2. Монокристал, що одержують за допомогою цього пристрою, має циліндричну форму, що обмежує конфігурацію моделей виливків і зливків. 3. Об'ємний циліндричний муфельний нагрівач спільно з об'ємним тиглем суттєво знижує можливості моделювання швидкої кристалізації внаслідок великої інерційності. Прототипом вибраний відомий пристрій для одержання монокристалів методом зонної плавки (мал.2.4, с.73) [1]. Він складається зі зливка вихідного матеріалу 1, тигля у вигляді човника 2, нагрівача 3 і затравки 4. При використанні цього пристрою для моделювання процесів кристалізації він має такі недоліки: 1. Вузький нагрівач 3 розплавляє відносно вузьку зону зливка і тому дозволяє моделювати тільки спрямовану або монокристалічну стр уктур у, що не охоплює всі х реальних умов кристалізації виливків і зливків. 2. Для виявлення кристалічної структури виливок після кристалізації потрібно відшліфувати, що пов'язано з додатковими витратами на механічне оброблення. 3. Кристалізація виливка є об'ємною (тримірною), що пов'язано з великими витратами вихідного матеріалу. В основу корисної моделі поставлено завдання розроблення пристрою для фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів та сплавів, максимально наближених до більшості реальних умов кристалізації виливків і зливків, створювання умов для керованої кристалізації, що моделює будь-які види структури, поліпшення технології одержання якості реальних виливків і зливків, знижує затрати на механічне оброблення та енерговитрати за рахунок виключення на етапі моделювання виготовлення виливків і зливків. Вирішення цього завдання досягається тим, що пристрій для фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів і сплавів, що містить тигель зі зливком вихідного матеріалу і нагрівач, згідно з корисною моделлю, тигель виконаний у вигляді плоского металевого зразка з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, зливок являє собою тонкий шар олова, що покриває цей зразок, нагрівач має плоску поверхню і за довжиною дорівнює зразку-тиглю. Пристрій додатково містить плоский мідний водоохолоджувальний кристалізатор і штовхач для пересування зразка-тигля. На відміну від пристрою для одержання монокристалів методом зонної плавки, взятому за прототип, коли крізь виливок у 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, зразок-тигель виконується в пропонованій корисній моделі у вигляді плоскої пластини-зразка з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, нагрівач виконується плоским і широким, щоб забезпечити розправлення шару олова по всій поверхні зразка, охолодження здійснюється на плоскому водоохолоджувальному мідному кристалізаторі при пересуванні плоского зразка-тигля 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 спільно 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, у сукупності з плоским водоохолоджувальним кристалізатором дозволяє створювати умови для керованої кристалізації, що моделює будь-які види структури від дрібнозернистої рівновісної до спрямованої і монокристалічної. Використання зразка-тигля з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, дозволяє моделювали умови теплопередачі за рахунок теплопровідності при кристалізації реальних виливків і зливків з певних металів або сплавів. При цьому досягається суттєве зниження лісу, призначеного для розробки технологічного процесу виготовлення виливків і зливків, економія енергоресурсів за рахунок) виключення виготовлення дослідних реальних виливків і зливків, а також економія металу, який використовується для виготовлення останніх. У технічному рішенні, що заявляється, нові технічні ознаки при взаємодії з відомими дають новий технічний результат, що дозволяє вирішити поставлене завдання. Це забезпечує усій 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 схемі (Фіг.1), де зображені основні частини пристрою. Пристрій має вкритий тонким шаром олова 1 металевий зразок-тигель 2 з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється, який розміщується на плоскій поверхні нагрівача 3. Штовхач 5 переміщує зразок-тигель 2 з поверхні нагрівача 3 на плоску поверхню водоохолоджувального кристалізатора 4. Пристрій, який заявлено, виконує свою функцію шляхом переміщення покритого тонким шаром олова металевого зразка-тигля з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється після повного розплавлення шару олова на плоскій поверхні нагрівача на плоску водоохолоджувальну поверхню кристалізатора за допомогою штовхача з регульованою швидкістю. При цьому за рахунок зміни швидкості переміщення зразка-тигля з металу або сплаву, кристалізація якого моделюється в сукупності з охолодженням на мідному водоохолоджувальному кристалізаторі рідкий шар олова кристалізується таким чином, що одержані при фізичному моделюванні двомірні кристали олова адекватні одержаним у певних умовах кристалам реальних виливків і зливків. Для забезпечення функціонування корисної моделі необхідно на поверхню зразка-тигля у гальванічній ванні нанести шар олова товщиною 3-5мкм, після чого зразок розмістити на плоскій поверхні нагрівача. Після розплавлення шару олова штовхач з заданою швидкістю переміщує зразок-тигель на плоску поверхню водоохолоджувльного кристалізатора, на якій починається процес кристалізації олова. Швидкість переміщення регулюється відповідними приладами. Кристалізація тонкого шару олова є переважно двомірною й моделює процес кристалізації повного пересічення реальних виливків і зливків. Макроструктур у зразка-тигля після закінчення моделювання можна виявити відомими методами, наприклад, травленням у розчині соляної кислоти або повторним нанесенням олов'яного покриття гальванічним методом. Пристрій для фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків був виготовлений і практично випробуваний для моделювання процесу кристалізації зливків і виливків з різною швидкістю охолодження. Результати фізичного моделювання наведені на Фіг.2. При великій швидкості охолодження утворювалась дрібнозерниста рівноважна макроструктура 6. При зменшенні швидкості охолодження розміри макрозерен збільшувалися. Утворювалась крупнозерниста рівновісна структура 7. При дуже повільній швидкості охолодження спостерігався ефект спрямованої кристалізації. Утворювалась структура спрямованої кристалізації 8. 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. - 336 с.