Спосіб обробки розплаву заевтектичного силуміну

Реферат: Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме – способу обробки розплаву евтектичного силуміну та виготовлення виробів з ливарних заевтектичних силікоалюмінієвих сплавів (силумінів), переважно поршнів для двигунів внутрішнього згоряння. Спосіб обробки заевтектичного силуміну включає введення в розплав модифікаторів та позапічну обробку розплаву імпульсами біполярного струму з частотою проходження імпульсів від 24 до 40 Гц та максимальною амплітудою струму в імпульсі від 800 до 1000 А, при цьому після введення у розплав модифікаторів здійснюють електрогідроімпульсну обробку розплаву в печі при температурі, яка перевищує температуру ліквідусу на 130-140 °C протягом часу та з параметрами, які визначають із співвідношення: UA 113572 C2 (12) UA 113572 C2 10 3  W0  f   M  C2  10 4 , де W 0 - енергія, яка запасається в конденсаторі генератора імпульсних струмів, Дж, f - частота проходження розрядних імпульсів, Гц, τ - час обробки, хвилини, M - маса сплаву, кг, C швидкість звуку в розплаві, м/с, а обробку розплаву біполярними імпульсами струму здійснюють при застиганні розплаву до температури, що перевищує температуру ліквідусу на величину 20-30°С. Винахід забезпечує гомогенізацію розплаву, його додаткову дегазацію та здрібнення структури і підвищення його механічних властивостей з відповідним підвищенням механічних властивостей виробів з обробленого силуміну. UA 113572 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме – до способу обробки евтектичного силуміну і. відповідно, виготовлення виробів з ливарних заевтектичних силікоалюмінієвих сплавів (силумінів), переважно поршнів для двигунів внутрішнього згоряння. Найбільшою проблемою таких сплавів є виділення кристалів первинного кремнію Si1 при кристалізації у вигляді поліедричних кристалів з розміром, який досягає 100 мкм та навіть більше. Кремній в евтектиці Sie має морфологію голчастих частинок (тобто не є модифікованим) з розміром десятки мкм. Така структура твердого стану характеризується концентраторами напружень, тому пластичність таких матеріалів має низький рівень. Підвищення показників механічних властивостей заевтектичних силумінів досягається за рахунок здрібнення кристалів Si1 та модифікування Sie відповідно до розмірів 20 мкм та 10 мкм. Аналогом способу, що заявляється, є спосіб виробництва силумінів (Пат. № 101208, Україна, МПК (2013.01) B22D 1/00, С22В 9/00, C222F 3/00, опубл. 11.03.2013, Бюл. № 5), що включає виплавку силікоалюмінію, корегування хімічного складу розплаву алюмінієм і легуючими елементами, модифікування розплаву флюсом, оброблення розплаву силуміну однополярним імпульсним електричним струмом з частотою імпульсів від 100 до 5000 Гц і 2 густиною струму від 7 до 20 А/см . Ознаками, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, є введення в розплав модифікаторів та пропускання через розплав імпульсів електричного струму з заданими параметрами. Причиною, що перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є те, що спосіб передбачає ефективне використання тільки для обробки доевтектичних силумінів. Найбільш близьким за сукупністю ознак до способу, що заявляється, є спосіб обробки розплаву заевтектичного силуміну (Пат. № 95040, Україна, МПК (2014.01) B22D 27/02, C22F 3/00, опубл. 10.12.2014, Бюл. № 23), що включає введення в розплав модифікаторів та пропускання через розплав біполярних імпульсів електричного струму з частотою проходження імпульсів ( f ) від 24 до 1600 Гц та максимальною амплітудою струму в імпульсі ( I ) від 120 до 1000 А при температурі розплаву, що перевищує температуру ліквідусу на величину 100-160 °C, при цьому зберігають залежність I 2 f  25,0  10 6 A  c 1 . Ознаками, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, є введення у розплав модифікаторів та позапічну обробку розплаву імпульсами біполярного струму з частотою проходження імпульсів від 24 до 40 Гц та максимальною амплітудою струму в імпульсі від 800 до 1000 А. Причиною, що перешкоджає одержанню очікуваного результату є те, що спосіб визначає тільки умови здрібнення Si1 та модифікування Sie, що не завжди відповідає умові одночасного збільшення величини міцності та величини відносного подовження. За такого способу обробки розплаву не досягається ефект повного засвоєння хімічних модифікаторів за рахунок впливу електромагнітного поля на розплав та не досягається рівномірний розподіл структурних складових багатокомпонентної рідкометалевої системи. Крім того, використання широкого набору хімічних модифікаторів (фосфор, титан, бор, карбід кремнію) збільшує собівартість литої металопродукції через те, що вартість лігатури з модифікаторами може складати до 50 % вартості поршня (виробу). В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу вдосконалення способу обробки розплаву заевтектичного силуміну шляхом введення нової операції дії на розплав та визначення оптимальних параметрів цієї обробки, що дозволить здійснити гомогенізацію розплаву, його додаткову дегазацію та забезпечити більш активне засвоювання розплавом модифікаторів (Na та Р), і за рахунок цього отримати високі показники якості литого металу (здрібнену структуру та гарантовано підвищені механічні властивості). Спосіб дозволить зменшити собівартість ливарної продукції та підвищити її конкурентоздатність. Суть винаходу полягає в тому, що в способі обробки заевтектичного силуміну, який включає введення в розплав модифікаторів та позапічну обробку розплаву імпульсами біполярного струму з частотою проходження імпульсів від 24 до 40 Гц та максимальною амплітудою струму в імпульсі від 800 до 1000 А, згідно з винаходом, після введення у розплав модифікаторів здійснюють електрогідроімпульсну обробку розплаву в печі при температурі, яка перевищує температуру ліквідусу на 130-140 °C протягом часу та з параметрами, які визначають із співвідношення: 103  W0  f   104 2 M C , 1 UA 113572 C2 де W0 - енергія, яка запасається в конденсаторі генератора імпульсних струмів, Дж; f 5 10 частота проходження розрядних імпульсів, Гц;  - час обробки, хвилини; M - маса сплаву, кг; C - швидкість звуку в розплаві, м/с, а обробку розплаву біполярними імпульсами струму здійснюють при застиганні розплаву до температури, що перевищує температуру ліквідусу на величину 20-30 °C. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, і технічним результатом, необхідно відзначити наступне. Ознаки "після введення у розплав модифікаторів здійснюють електрогідроімпульсну обробку розплаву в печі при температурі, яка перевищує температуру ліквідусу на 130-140 °C протягом часу та з параметрами, які визначають із співвідношення: 103  15 20 25 30 35 40 а обробку біполярними імпульсами струму здійснюють при застиганні розплаву до температури, що перевищує температуру ліквідусу на величину 20-30 °C" дозволять провести гомогенізацію розплаву, його додаткову дегазацію та забезпечити більш активне засвоювання розплавом модифікаторів (Na та Р) і за рахунок цього досягати модифікування у заевтектичному силуміні складових кремнію до рівня 20 мкм для Si1 і 10 мкм для Sie, а також гарантованого підвищення механічних властивостей литого металу, у першу чергу збільшення відносного подовження над величиною 1 %. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 представлено блок-схему установки, що використовується для реалізації способу, на Фіг. 2 репрезентовано зображення мікроструктури литого заевтектичного силуміну з використанням тільки модифікуванням фосфором, а на Фіг. 3 - з використанням обробки розплаву згідно зі способом, що заявляються. Установка для реалізації способу містить термопіч 1 з нагрівальними елементами 2, тигель з розплавом 3, термопару 4, блок управління і контролю термопіччю 5, хвилевід 6 електророзрядного генератора пружних коливань 7, форму для заливки 8, датчик напруги 9, датчик струму 10, генератор імпульсних струмів 11, джерело постійного струму 12, електроди 13, низьковольтне джерело імпульсного струму 14, терморегулятор 15. Спосіб здійснюється таким чином. Попередньо первинну шихту заевтектичного силуміну розплавляють в печі 1, наприклад, в тигельній печі опору, до температури 750 °C. Потім проводять операцію рафінування додаванням у розплав солі NaCl у кількості 1 % від маси сплаву, розплав перемішують титановим імпелером протягом від 10 до 20 секунд, після чого проводять ізотермічну витримку розплаву протягом 10 хвилин, вводять у розплав подрібнену лігатуру АlСu2,5Р3 за допомогою дзвоників у кількості, що відповідає вмісту Ρ 0,025 % від маси розплаву; розплав знову перемішують протягом від 5 до 10 секунд. Температуру розплаву доводять до 850 °C, за якої проводять його ізотермічну витримку протягом 10 хвилин. Після цього у розплав вводять хвилевід 6 електророзрядного генератора пружних коливань 7 і при подачі імпульсів високої напруги від генератора імпульсних струмів 11 здійснюють електрогідроімпульсну обробку розплаву в печі 1 при температурі, яка перевищує температуру ліквідусу на 130-140 °C протягом часу та з параметрами, які визначають із співвідношення: 103  45 50 55 W0  f   104 2 M C , W0 f   104 2 M C . Після чого хвилевід 6 відводять з розплаву, ківш (тигель) 3 з розплавом витягають із печі 1, у розплав вводять електроди 13, які підключені до низьковольтного джерела імпульсного струму 14, та здійснюють обробку біполярними імпульсами струму при застиганні розплаву in situ зі швидкістю від 1 до 5 К/с до температури, що перевищує температуру ліквідусу на величину 20-30 °C. Далі здійснюють наступне розливання розплаву. В результаті такої комплексної обробки за рахунок введення у розплав солі NaCl проводиться попередня операція рафінування та модифікування Sie, за рахунок введення лігатури АlСu2,5Р3 проводиться модифікування Si1, дія акустичних імпульсів при електрогідроімпульсній обробці та дія електромагнітного поля при електроімпульсній обробці додатково впливають на рафінування розплаву, повне засвоювання Na та Ρ розплавом для завершення операції модифікування структури. Таким чином комплексна обробка розплаву дозволяє здійснити гомогенізацію і додаткову дегазацію розплаву та забезпечити практично повне засвоювання розплавом модифікаторів (Na та Р), і за рахунок цього отримати високі показники якості литого металу (здрібнену структуру та гарантовано підвищені механічні властивості). 2 UA 113572 C2 5 Приклад. Здійснювали обробку заевтектичного силуміну з наступним хімічним складом: Si (18,5 мас. %), Сu (1,9 мас. %), Μn (0,01 мас. %), Ті (0,2 мас. %), Fe (0,4 мас. %), його температури ліквідусу та солідусу дорівнюють відповідно 715 °C та 574 °C. Процедура комплексної обробки була наступною. Первинну шихту виплавляли у тигельній печі опору при температурі 750 °C, провели операцію рафінування введенням у розплав NaCl, ввели лігатуру АlСu2,5Р3, довели температуру до 850 °C, ввели хвилевід електророзрядного генератора пружних коливань та протягом   1 хвилини провели електрогідроімпульсну обробку розплаву при енергії в імпульсі W0  625 Дж та частоті чередування імпульсів 10 15 20 25 f  2 Гц . Перелічені параметри визначені із співвідношення: W  f  103  0  104 . M C2 Після електрогідроімпульсної обробки розплаву ківш з розплавом дістали з печі та провели обробку розплаву біполярними імпульсами струму з амплітудою 800 А та частотою чергування імпульсів 40 Гц при застиганні розплаву до температури 740 °C. Оброблений розплав залили у форму. Фіг. 2 та Фіг. 3 демонструють якісну різницю мікроструктури литого металу, обробленого тільки NaCl та АlСu2,5Р3 (Фіг. 2), та обробленого по описаній процедурі, що заявляється (Фіг. 3). Результати металографічного аналізу показали, що параметри Si1 та Sie у литому виробі, який отримано за допомогою способу, що заявляється, склали відповідно 20 мкм та 10 мкм. Відповідно до ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: 1985 було проведено дослідження механічних властивостей зразків, яким відповідають структури Фіг. 2 та Фіг. 3. У зразків, що отримані за допомогою способу, що заявляється, межа міцності  в підвищена на 14 %, а відносне подовження  зросло у 3,75 разу і склало величину 3 %. Питома споживана енергія при електрогідроімпульсній обробці розплаву склала величину 1,8 кВтгод./т, а при обробці імпульсами струму 0,1 кВтгод./т. Таким чином, спосіб обробки розплаву заевтектичного силуміну дозволить здійснити гомогенізацію розплаву, його додаткову дегазацію та забезпечити більш активне засвоювання розплавом модифікаторів (Na та Р), і за рахунок цього отримати високі показники якості литого металу (здрібнену структуру та гарантовано підвищені механічні властивості). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 Спосіб обробки розплаву заевтектичного силуміну, що включає введення в розплав модифікаторів та позапічну обробку розплаву імпульсами біполярного струму з частотою проходження імпульсів від 24 до 40 Гц та максимальною амплітудою струму в імпульсі від 800 до 1000 А, який відрізняється тим, що після введення у розплав модифікаторів здійснюють електрогідроімпульсну обробку розплаву в печі при температурі, яка перевищує температуру ліквідусу на 130-140 °C протягом часу та з параметрами, які визначають зі співвідношення: 10 3  40 W0  f   M  C2  10 4 , де W 0 - енергія, яка запасається в конденсаторі генератора імпульсних струмів, Дж, f - частота проходження розрядних імпульсів, Гц, τ - час обробки, хвилини, M - маса сплаву, кг, C - швидкість звуку в розплаві, м/с, а обробку розплаву біполярними імпульсами струму здійснюють при застиганні розплаву до температури, що перевищує температуру ліквідусу на величину 20-30 °C. 3 UA 113572 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко 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