Спосіб термічного аналізу металу та сплаву

Реферат: UA 112646 U UA 112646 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі ливарного виробництва та металургії, а саме до технології контролю якості металу та сплаву на етапі від виплавки, заливки ливарних форм і до кристалізації виливка. Зокрема може бути використана при виробництві виливків у формах з сипкого вогнетривкого наповнювача, які виготовлені вакуумним формуванням за моделями, що газифікуються, та у всіх видах піщаних форм. А також може бути застосована при контролю якості металу чи сплаву виливка при модифікуванні металу чи сплаву безпосередньо у ливарній формі, зокрема високоміцного чавуну, виливки з якого виробляють згідно з інмолд-процесу. Відомий спосіб визначення легуючих домішкових елементів і газів в сплавах з застосуванням запису вимірювання температури проби протягом часу на установці термічного аналізу сплавів, що включає відбір проб, які виготовляють з поміщеними в них термопарами і записують криві температура-час для наступного аналізу [А. с. СРСР № 1636766, MПК G01N 33/20, бюл. № 11, 1991]. Приклади способу описано для аналізу алюмінієвого сплаву в тиглі без вказівки про подальше використання сплаву після проведення аналізу їх елементів. Подібний сплав може направлятися для виготовлення чушкової шихти для розкислення сталі або для лиття заготовок, а практичне виконання способу включає відбір проб за наявності ємностей для такого відбору проб, подачі в них металу, утримання їх в нагрітому стані при затвердінні в них металу під час записування кривих, а також утилізації проб, ці операції пов'язані з деякою трудомісткістю, витратами часу і матеріалів, а також дотриманням безпеки роботи з розплавом металу. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є спосіб термічного аналізу рідкого чавуну, який включає отримання термічної кривої охолодження зразка сплаву, зокрема чавуну, що підлягає аналізу, та кривих охолодження референсних (довідкових) зразків сплавів із заздалегідь визначеними властивостями [Патент України № 99968, МПК G01N 33/20, G01N 25/04, бюл. № 12, 2015]. Він відрізняється тим, що для виконання аналізу відбір проб здійснюють за допомогою стаканчика-пробовідбірника занурення. Особливості таких спеціально виготовлених пробовідбірників, без яких неможливий аналіз, є те, що вони виготовляються з високоякісних вогнетривких матеріалів, стійких до занурення у розплав металу чи його заливання без руйнування пробовідбірників та інертних до взаємодії з пробою. Пробовідбірники використовуються як калориметри і підлягають виготовленню з високою точністю для забезпечення однакових умов охолодження зразка сплаву, що підлягає аналізу, та багатьох референсних (довідкових) зразків, що впливає на точність термічного аналізу. Занурення разових керамічних чи піщаних пробовідбірників в рідкий метал або його заливання до їх ємностей часто потребує їх попереднього нагрівання та зберігання в безпечному від вологи середовищі для уникнення виділення газів при контакті з розплавом металу. Виготовлення, підготовка до заповнення металом пробовідбірників, їх заповнення розплавом металу, проведення вимірів потребують трудовитрат при роботі з розплавом металу, що передбачає суттєві заходи безпеки для уникнення опіків та травмувань працівника при заповненні вручну пробовідбірників та непередбачених випадків витікання чи вибризкування з них розплаву металу. Застосування металевого теплоізольованого пробовідбірника, згідно з останнім способом, потребує спеціальних сплавів (достатньої міцності при зануренні в розплав чавуну) для його виготовлення та нанесення і поновлення вогнетривкої теплоізоляції. При цьому матеріал форми виливка, в яку заливають метал після аналізу, як правило, значно відрізняється від матеріалу пробовідбірників, як і умови охолодження проб від таких умов для металу виливка. Наприклад, порівнювати середню твердість чавуну за Бринелем (НВ) згідно з ГОСТ 1412-85 для всіх зразків, отриманих в металевому пробовідбірнику, слід з виливком в металеву форму. Але за статистикою 75-78 % виливків з металів та сплавів отримують в піщані форми, тому згідно з ГОСТ 24648-90 проби для механічних випробувань чавуну слід виливати в форми з кварцового піску, лише для виливків, отриманих в металевих формах допускається виливати проби в металеві форми. Оскільки відомі зазначені способи аналізу металу, згідно з описом патенту, практично ніяк не пов'язані з умовами кристалізації виливка з аналізованого металу і лише відповідають на питання щодо якості металу в пробі, щознаходиться в пробовідбірнику, при тому, що часто умови кристалізації металу у виливку зовсім інакші, ніж у пробовідбірнику, то очевидно, що проби треба виливати в тій формі, в якій отримують виливок, для якого виплавляють метал, як це, зокрема, регламентовано для чавуну згідно з ГОСТ 24648-90. Також термічний аналіз якості металу виливка при модифікуванні металу безпосередньо у ливарній формі, зокрема високоміцного чавуну (ВЧ), виливки з якого виробляють згідно з інмолд-процесом, взагалі неможливий, бо не вирішено питання відбору для такого аналізу 1 UA 112646 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зразка рідкого металу, модифікованого в реакційній камері всередині ливарної форми. При цьому таке модифікування (з метою сфероїдизації графіту) виконується під час заливки металом форм при виробництві виливків різного призначення. Останні обставини належать до таких, що гальмують поширення високотехнологічного способу лиття ВЧ за інмолд-процесом та взагалі ускладнюють контроль будь-якого металу чи сплаву, що проходить обробку у ливарній формі. Задачею корисної моделі - зниження трудомісткості, підвищення експресності і безпеки термічного аналізу металів та сплавів, а також створення умов для термічного аналізу металів та сплавів, що проходять обробку у ливарній формі при заливанні її металом чи сплавом в процесі виготовлення виливків. Поставлена задача вирішується тим, що в способі термічного аналізу металу та сплаву, який включає відбір проб рідкого металу чи сплаву, отримання термічної кривої охолодження зразка металу чи сплаву, що підлягає аналізу, та порівняння її з кривими охолодження референсних (довідкових) зразків сплавів із заздалегідь визначеними властивостями, згідно з корисною моделлю, відбір проби здійснюють шляхом заміщення рідким металом чи сплавом моделі проби, виготовленої з матеріалу, що газифікується, та заформованої в піщаний наповнювач, з якого виготовлена форма для отримання виливка з металу чи сплаву, що аналізується, а модель проби заформована в одну опочну оснастку з формою для отримання виливка чи в різні опочні оснастки. Крім того, заміщення рідким металом чи сплавом моделі проби, яка заформована в одну опочну оснастку з формою для отримання виливка, можуть виконувати одночасно з заливанням форми для отримання виливка, а відбір проби виконувати шляхом приливання її до виливка або його ливникової системи. Також піщаний наповнювач, в який заформована модель проби під час відбору проби та термічного аналізу металу чи сплаву, можуть вакуумувати. В запропонованому способі технічний результат досягається наявністю суттєвих ознак щодо того, як і за допомогою чого виконують відбір проби і утримують її, без чого неможливо виконання термічного аналізу. При цьому роль пробовідбірника виконує піщана форма, в яку заформована модель проби, виготовлена з матеріалу, що газифікується. Ця піщана форма може виготовлятись окремо (в окремій опочній оснастці), чи (найбільш доцільний варіант) як одне ціле (в одній опочній оснастці) з піщаною формою для виготовлення виливка, для якого виплавляли метал, що проходить термічний аналіз. Опочна оснастка являє собою рамочні опоки, контейнер, жакет, в яких виготовляють піщану форму. Виготовлена в окремій опочній оснастці форма слугує тій же задачі, що досягають вищезазначені відомі способи, - термічному аналізу металу та сплаву для різних цілей. В виготовленій, згідно з п. 2 формули способу, як одне ціле (в одній опочній оснастці) з піщаною формою для отримання виливка, пробовідбірник не є окремим об'єктом від цієї форми, бо його функцію виконує лише невелика частина форми навколо моделі проби. При цьому термопару поміщають не в порожнину пробовідбірника (як за аналогами), а в тіло разової моделі, виготовленої з таких газонаповнених полімерів, зокрема з 3 вуглеводнів, як пінополістирол (ГІПС) з густиною 20-25 кг/м за технологією, відомою і типовою для лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ), в англомовній термінології - "Lost Foam Casting Process". Найбільшу вигідність щодо зниження трудомісткості, підвищення експресності і безпеки термічного аналізу металів та сплавів запропонований спосіб отримує при ЛГМ та при інмолдпроцесі, а також при суміщенні цих двох процесів, що являє ресурсоефективне суміщення точного способу лиття з виробництвом виливків з високоміцних сплавів за високотехнологічними процесами. Для ЛГМ-процесу вигідне застосування вакуумованих піщаних форм, відбір в яких проб зменшує до мінімуму виплески металу з причин надмірного утворення газів, оскільки гази всмоктуються піщаним наповнювачем вакуумованої ливарної форми. Застосування для виготовлення пробовідбірників піщаної суміші без зв'язуючого, традиційної для ЛГМ, як одного з найбільш заощаджуючих метал ливарних процесів, виключає спеціальні трудовитрати та високовартісні матеріали (як правило, імпортні) притаманні виготовленню піщаних пробовідбірників за відомими способами термічного аналізу металів та сплавів, зокрема на основі заліза, з традиційно високою температурою в рідкому стані (14001700 °C). В прикладі реалізації способу термопару поміщали в прес-форму, в яку задували гранули ГІПС, спікали їх за технологією, відомою для ЛГМ, і отримували модель проби з закріпленою в ній термопарою. На відміну від керамічних чи металевих пробовідбірників метал заливали не в їх порожнину, заповнену повітрям, а в порожнину, "упаковану" в заповнені повітрям кульки ППС, які спікаються в монолітну модель проби і з яких складається "тіло" разової моделі проби. Випуклий циліндрик моделі проби значно легше виготовити, ніж вогнетривку негазотвірну 2 UA 112646 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ємність-пробовідбірник для виливання проби. Крім того, модель проби також нескладно виготовити методом вирізання з блочного ППС, зокрема, вручну, на токарному верстаку чи з застосуванням інструмента з нагрітою струною для різання ППС. В прикладі реалізації модель виготовляли з невеликим живильником, який приклеювали до моделі виливка з ППС або до моделі його ливниково-живильної системи у випадку виготовлення виливка за ЛГМ-процесом. Модель виливка з моделлю проби формували в контейнерній формі з сухого оборотного кварцового піску згідно з низкою відомих операцій, що зазвичай застосовують при ЛГМ. Вільні кінці термопари подовжували відомими способами з використанням за потреби компенсаційних дротів, що виходили за межі форми та підключали до відомих пристроїв і одержували дані термічного аналізу за методикою обчислення аналогічно відомим способам. Такі пристрої все частіше монтують у складі сучасних комп'ютерних систем моніторингу ливарних процесів. Здійсненням відбору проби литтям металу чи сплаву способом ЛГМ досягали зниження трудомісткості, бо пробовідбірник (не виокремлений) виготовляли по моделі проби з ППС без окремих операцій в одному процесі формуванням моделі виливка як приливок до стінки виливка чи деталь його ливникової системи, випору чи надливу. За потреби легкого відділення проби від виливка цей приливок мав живильник з борозенкою перетиску, по якій пробу відділяли, наприклад для додаткових механічних випробовувань. Зазвичай проба була прилита до ливникової системи і утилізувалась на повторний переплав разом з нею. Заливання металом чи сплавом з мимовільним відбором проби в одній формі з виливком як деталі одної моделі з ППС, чи модельного кластера також проходили без трудовитрат і витрат часу (підвищення експресності), бо були відсутні традиційні для способів-аналогів операції заливання, утримання на відповідній вогнетривкій і захищеній від витікання металу опорі заповненого розплавом пробовідбірника до затвердіння проби, і процеси проходили мимовільно в одній формі з виливком без потреби дотримання якихось правил безпеки, притаманних окремому заливанню з ковша пробовідбірника чи заповнення його шляхом занурення в розплав. При цьому відсутнє окислення металу проби киснем повітря, бо вона знаходиться в вакуумованій формі з відновною атмосферою в її порожнини, зумовленою газифікацією ППС, а умови затвердіння проби аналогічні твердінню виливка в одній з ним піщаній формі. Постійності заповнення об'єму зазначених варіантів пробовідбірника (точності проби) сприяє вакуум-формі, що збільшує заповнюваність металом форми завдяки ефекту вакуумного всмоктування металу. Спосіб вирішує проблему термічного аналізу при інмолд-процесі при варіантах формування моделей проб з ППС в зазначених технологом чи контролером в місцях, наприклад, між реакційною камерою і виливком, в зоні випору чи надливу. До новизни технічного рішення також належить можливість формування більше однієї моделі проби і відбір-заливання їх в одній операції з заливанням одної з виливком форми для дослідження чи удосконалення процесу модифікування при наявності більше однієї реакційної камери, або аналізу металу до та після такої камери, або для виливків, що мають різний склад металу в різних частинах, або для контролю властивостей металу в стінках виливків з крупними габаритами чи різностінних тощо. Формувати просту за конструкцією модель проби при стикуванні до ливникових систем нескладно для всіх видів піщаних форм. Модель з ППС зазначеної густини приблизно в 300 разів легша ніж, наприклад, рідкий чавун, що її легко заміщує при заливанні його до піщаної форми. При формуванні моделі проби в різні опочні оснастки з формою для отримання виливка досягається можливість попереднього аналізу металу чи сплаву з можливістю корекції його складу (дошихтовки) перед заливанням форми для отримання виливка. Ряд зазначених варіантів створеного способу забезпечує гнучкість технології аналізу і не менші можливості використання ніж за відомими способами для оперативного прогнозування технологічних та експлуатаційних властивостей (хімічного складу, структури, ливарних, фізико-механічних та інших властивостей) металу та сплаву у виробництві виливків різного призначення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 1. Спосіб термічного аналізу металу та сплаву, який включає відбір проб рідкого металу чи сплаву, отримання термічної кривої охолодження зразка металу чи сплаву, що підлягає аналізу, та порівняння її з кривими охолодження референсних (довідкових) зразків сплавів із заздалегідь визначеними властивостями, який відрізняється тим, що відбір проби здійснюють шляхом заміщення рідким металом чи сплавом моделі проби, виготовленої з матеріалу, що газифікується, та заформованої в піщаний наповнювач, з якого виготовлена форма для 3 UA 112646 U 5 отримання виливка з металу чи сплаву, що аналізується, а модель проби заформована в одну опочну оснастку з формою для отримання виливка чи в різні опочні оснастки. 2. Спосіб термічного аналізу металу та сплаву за п. 1, який відрізняється тим, що заміщення рідким металом чи сплавом моделі проби, яка заформована в одну опочну оснастку з формою для отримання виливка, виконують одночасно з заливанням форми для отримання виливка, а відбір проби виконують шляхом приливання її до виливка або його ливникової системи. 3. Спосіб термічного аналізу металу та сплаву за п. 1, який відрізняється тим, що піщаний наповнювач, в який заформована модель проби під час відбору проби та термічного аналізу металу чи сплаву, вакуумують. 10 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4