Спосіб одержання металевих заготовок з глобулярною структурою

Реферат: Винахід належить до металургії, а саме - до способу одержання металевих заготовок з глобулярною структурою, і може бути використаний при виробництві заготовок з глобулярною структурою (тиксозаготовок) для наступного виготовлення з них фасонних виробів шляхом тиксоформування, наприклад, штамповкою. Спосіб включає приготування твердорідкої суспензії сплаву, обробку її для утворення твердих включень глобулярної морфології, ізотермічну витримку та загартування у воді, при цьому для приготування твердорідкої суспензії сплаву використовують тверду первинну заготовку з дендритною структурою, яку розміщують у графітовому контейнері, і нагрівають пропусканням через неї постійного струму доти, поки вона не перейде до твердорідкого стану, а обробку твердорідкої суспензії сплаву здійснюють пропусканням через неї імпульсно-періодичного струму одночасно з ізотермічною витримкою, при цьому ізотермічну витримку здійснюють регулюванням сили постійного струму, що нагріває первинну заготовку. Винахід забезпечує підвищення кількості включень глобулярної форми, UA 101571 C2 (12) UA 101571 C2 рівномірності їх розподілу у всьому об'ємі заготовки та, відповідно, підвищення якості одержуваної заготовки для тиксоформування, спрощення процесу та скорочення часу одержання металевих заготовок з глобулярною структурою, зниження витрат електроенергії на процес через відсутність операцій розплавлення сплаву. UA 101571 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, більш конкретно – до ливарного виробництва, і може бути використаний при одержанні заготовок з глобулярною структурою (тиксозаготовок) для наступного виготовлення з них фасонних виробів шляхом тиксоформування, тобто формоутворення в твердорідкому стані, наприклад, штамповкою. Аналогом способу, що заявляється, є "Спосіб одержання металевих заготовок з глобулярною структурою" (патент РФ №2371279, 27.10.2009), що включає розплавлення сплаву, розливання розплаву в тонкостінний стакан через похилий охолоджувальний жолоб, охолодження розплаву на жолобі з утворенням зародків глобулярних кристалів первинної фази кристалізації, наступне охолодження в умовах теплової ізоляції торців стакана та загартування заготовки у воді. При цьому потоку розплаву на жолобі надають постійне зростаюче прискорення та зворотно-поступальний рух. Ознаками, які збігаються з ознаками способу, що заявляється, є такі: обробка розплаву для утворення твердих включень глобулярної морфології, ізотермічна витримка та загартування у воді. Причиною, що перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що відомий спосіб дозволяє утворювати зародки глобулярних кристалів первинної фази кристалізації, але не передбачає дій, які б сприяли рівномірному розподілу глобулярних кристалів у всьому об'ємі заготовки. Найбільш близьким за сукупністю ознак до винаходу, що заявляється, є спосіб одержання металевих заготовок з глобулярною структурою (Семенов Б.И. Производство заготовок с тиксоструктурой главное условие успеха промышленного освоения новых технологий//Заготовительные производства в машиностроении - 2004.- №4. - С. 3-15), що включає розливання рідкого перегрітого металу з ковша на охолоджувальний жолоб, одержання твердорідкої суспензії сплаву, ультразвукову обробку її для утворення твердих включень глобулярної морфології, розливання у тонкостінний стакан, витримку суспензії в стакані в умовах теплової ізоляції та загартування заготовки у воді. Ознаками, які збігаються з ознаками способу, що заявляється, є такі: приготування твердорідкої суспензії сплаву, обробка її для утворення твердих включень глобулярної морфології, ізотермічна витримка та загартування у воді. Причиною, що перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що відомий спосіб не передбачає дій, які б сприяли рівномірному розподілу глобулярних кристалів у всьому об'ємі заготовки. В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу удосконалити спосіб одержання металевих заготовок з глобулярною структурою шляхом нового виконання операцій приготування твердорідкої суспензії сплаву та її обробки, що дозволить за рахунок одночасного плавлення та руйнування на окремі фрагменти дендритного каркасу первинної заготовки, обмивання кожного з них рідиною, забезпечити глобулярну форму і рівномірність розподілу твердих включень у всьому об'ємі заготовки, і за рахунок цього підвищити якість заготовки для тиксоформування. Крім того, спосіб дозволяє значно спростити процес одержання металевих заготовок з глобулярною структурою з-за скорочення часу одержання твердорідкої суспензії та знизити витрати електроенергії через відсутність операцій розплавлення сплаву. Суть винаходу полягає в тому, що в способі одержання металевих заготовок з глобулярною структурою, що включає приготування твердорідкої суспензії сплаву, обробку її для утворення твердих включень глобулярної морфології, ізотермічну витримку та загартування у воді, при цьому для приготування твердорідкої суспензії сплаву використовують тверду первинну заготовку з дендритною структурою, яку розміщують у графітовому контейнері, і нагрівають пропусканням через неї постійного струму доти, поки вона не перейде до твердорідкого стану, а обробку твердорідкої суспензії сплаву здійснюють пропусканням через неї імпульсноперіодичного струму одночасно з ізотермічною витримкою, при цьому ізотермічну витримку здійснюють регулюванням сили постійного струму, що нагріває первинну заготовку. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками способу, що заявляється, і технічним результатом, необхідно відзначити наступне. Ознаки "для приготування твердорідкої суспензії сплаву використовують тверду первинну заготовку з дендритною структурою, яку розміщують у графітовому контейнері, і нагрівають пропусканням через неї постійного струму доти, поки вона не перейде до твердорідкого стану" дозволять здійснювати одночасне плавлення і руйнування на окремі фрагменти дендритного каркасу первинної заготовки за рахунок виділення Джоулева тепла рівномірно у всьому об'ємі заготовки до тих пір, поки температура твердорідкої суспензії не досягне заданого значення. Ознака "обробку твердорідкої суспензії сплаву здійснюють пропусканням через неї імпульсно-періодичного струму одночасно з ізотермічною витримкою" забезпечує формування 1 UA 101571 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 глобулярної морфології твердих включень, запобігає зворотному зростанню в конгломерати і коагуляції дендритних фрагментів під час ізотермічної витримки, як наслідок забезпечує дрібнозернистість кінцевої заготовки. Ознака "ізотермічну витримку здійснюють регулюванням сили постійного струму, що нагріває первинну заготовку" дозволяє підтримувати температуру твердорідкої суспензії з точністю ±1 °C, отже - і кількість включень твердої фази на заданому рівні, який відповідає цій температурі. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлено схему обладнання для реалізації способу, на фіг. 2 - мікроструктуру одержаної заготовки сплаву АК7. Обладнання для реалізації способу містить заготовку 1 (Фіг. 1), що розміщена в графітовому контейнері 2, який, в свою чергу, встановлений в теплоізоляційному кожусі 3. Позитивний електрод 4 встановлений в отвір у заготовці 1, а негативний 5 - приєднаний до графітового контейнера. Електроди 4, 5 з'єднані з генератором постійного струму 6 та генератором імпульсно-періодичного струму 7. Для вимірювання температури в заготовці встановлена хромель-алюмелієва термопара 8 (ХА-термопара). Спосіб здійснюють таким чином. Попередньо в твердій первинній металевій заготовці 1, наприклад, з алюмінієвого сплаву марки АК ДСТУ 2839-94 (що є одним із вузького списку сплавів, які можуть бути застосовані в технології тиксоштампування), виконують отвори для монтажу позитивного електрода 4 та термопари 8. Для поліпшення контакту між заготовкою 1 та графітовим контейнером 2 досипають графітовий пил. Монтують позитивний графітовий електрод 4 та ХА-термопару 8. Для приготування твердорідкої суспензії сплаву на позитивний електрод 4 подають струм від генератора постійного струму 6 і нагрівають тверду первинну заготовку 1 з дендритною структурою пропусканням через неї постійного струму доти, поки вона не перейде до твердорідкого стану. Процес переходу в твердорідкий стан розпочинається, на відміну від нагрівання в печі, за якого дендритний каркас плавиться, як єдине ціле, підплавленням дендритів в місцях кріплення гілок, що сприяє руйнуванню цілого дендритного каркасу на окремі фрагменти та обмиванню їх рідиною. З підвищенням температури посилюється фрагментація дендритів, відбувається зменшення розмірів і округлення фрагментів. Нагрівання заготовки за допомогою електричного струму, на відміну від нагрівання в печі, забезпечує швидкісну та одночасно рівномірну зміну температури в усьому об'ємі заготовки, за рахунок чого необхідні температури твердорідкого стану досягаються за нетривалий проміжок часу (не більше 20 хвилин, а під час нагрівання в печі - година і більше, в залежності від розмірів заготовки), а заготовка набуває однорідного твердорідкого стану у всьому об'ємі одночасно. Після досягнення необхідної температури заготовки, яка визначає бажану долю твердої фази, вмикають генератор імпульсно-періодичного струму 7 і здійснюють обробку твердорідкої суспензії сплаву пропусканням через неї імпульсно-періодичного струму одночасно з ізотермічною витримкою. Ізотермічну витримку здійснюють регулюванням сили постійного струму від генератора постійного струму 6, що нагріває первинну заготовку 1. В такому режимі заготовку витримують 2-5 хвилин з метою додаткового силового впливу на сплав в двофазній температурній зоні. Сплав, який перебуває у двофазному стані, мікроструктурно неоднорідний і електричний струм проходить через його складові з різними електропровідностями (рідкий стан евтектичного складу та залишкові кристали), причому межа між ними не є пласкою. З магнітної гідродинаміки відомо, що це може бути причиною виникнення руху середовищ по межі стрибка електропровідності, що в даному випадку викликає інтенсивне обмивання кристалів рідиною. У свою чергу, пропускання імпульсного струму через рідкометалевий провідник призводить до виникнення хвильових явищ, дією яких реалізується процес обтікання рідкою евтектикою твердої фази сплаву. Використання імпульсно-періодичного струму запобігає зростанню фрагментів в конгломерати, коагуляції дендритних фрагментів під час ізотермічної витримки, і, як наслідок, забезпечує дрібнозернистість кінцевої заготовки. На момент закінчення ізотермічної витримки, заготовка набуває стану твердорідкої суспензії, яка містить глобулярні фрагменти залишкових кристалів, рівномірно розподілених в рідині. На фіг. 2 показано мікроструктуру одержаної заготовки сплаву АК7. Після цього заготовку одразу ж виймають з графітового контейнера та загартовують у воді, внаслідок чого фіксується стан заготовки, набутий під час ізотермічної витримки. На цьому процес отримання заготовки закінчується. Отримана заготовка придатна для наступного виготовлення деталей методом тиксоштампування, тобто штампуванням в твердорідкому стані. 2 UA 101571 C2 5 10 В подальшому цикл повторюють. При необхідності можна замінити графітові електрод та контейнер або встановити декілька робочих об'ємів із заготовками для підвищення швидкості виготовлення заготовок. Таким чином, запропонований спосіб одержання металевих заготовок з глобулярною структурою дозволить за рахунок одночасного плавлення та руйнування на окремі фрагменти дендритного каркасу первинної заготовки, обмивання кожного з них рідиною, забезпечити глобулярну форму і рівномірність розподілу твердих включень у всьому об'ємі заготовки, і за рахунок цього підвищити якість заготовки для тиксоформування. Крім того, спосіб дозволяє значно спростити процес одержання металевих заготовок з глобулярною структурою за рахунок скорочення часу одержання твердорідкої суспензії та знизити витрати електроенергії через відсутність операцій розплавлення сплаву. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Спосіб одержання металевих заготовок з глобулярною структурою, що включає приготування твердорідкої суспензії сплаву, обробку її для утворення твердих включень глобулярної морфології, ізотермічну витримку та загартування у воді, який відрізняється тим, що для приготування твердорідкої суспензії сплаву використовують тверду первинну заготовку з дендритною структурою, яку розміщують у графітовому контейнері і нагрівають пропусканням через неї постійного струму доти, поки вона не перейде до твердорідкого стану, а обробку твердорідкої суспензії сплаву здійснюють пропусканням через неї імпульсно-періодичного струму одночасно з ізотермічною витримкою, при цьому ізотермічну витримку здійснюють регулюванням сили постійного струму, що нагріває первинну заготовку. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3