Способ получения слитка из сплавов цветных металлов

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКА ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, может быть использовано при производстве слитков и направлено на повышение качества сплава, выражаемое в равномерном по сечению измельчении зерненого строения получаемого полуфабриката. Предложенный способ модифицирования сплавов цветных металлов позволяет получать отливки с размером зерна менее 20 мкм за счет того, что модифицирование и удержание расплава металла осуществляют непосредственно в области кристаллизации путем воздействия на него переменным электромагнитным полем повышенной частоты, а охлаждение осуществляют подачей охлаждающей жидкости непосредственно на поверхность расплава. Хацаюк Максим Юрьевич, Первухин Михаил Викторович, Сергеев Николай Вячеславович, Тимофеев Виктор Николаевич, Христинич Роман Мирославович (RU) Пантелеева Р.Д. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (СФУ) (RU) Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов и может быть использовано при производстве слитков. Из существующего уровня техники известен способ модифицирования структуры литого металла,включающий ускоренную кристаллизацию на поверхности водоохлаждаемых валков-кристаллизаторов с последующей деформацией закристаллизовавшейся части (RU 2257419 C1, МПК C22F 1/04, 2005 г.). Кристаллизация на поверхности валков с последующей деформацией позволяет получить высокие скорости охлаждения и, как следствие, измельчение зерненного строения слитка, однако требует сложной системы механических узлов, что приводит к усложнению всего процесса. Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения слитка, включающий подачу расплава в индуктор, воздействие на расплав и удержание расплава от растекания в области кристаллизации переменным электромагнитным полем заданной частоты, охлаждение жидкости непосредственно на поверхности расплава и кристаллизацию слитка (SU 1375403 A1, МПК B22D 11/01, 1988 г.). Недостатком данного способа является то, что слитки, получаемые в процессе литья, имеют неоднородную структуру в объеме, так как скорость кристаллизации расплава на поверхности и в сердцевине слитка существенно различается (поверхность - 50 мкм, сердцевина - 85 мкм). Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества сплава, выражаемое в равномерном по сечению измельчении зерненного строения получаемого полуфабриката. Поставленная задача решается тем, что в способе получения слитка из сплавов цветных металлов,включающем подачу расплава в индуктор, воздействие на расплав и удержание расплава от растекания в области кристаллизации переменным электромагнитным полем заданной частоты, охлаждение слитка путем подачи охлаждающей жидкости непосредственно на поверхность расплава и кристаллизацию слитка, согласно изобретению, частоту электромагнитного поля выбирают, исходя из выраженияrсл - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка, составляющий не более 20 мм; 0 - магнитная постоянная. На фиг. 1 схематично представлено устройство для реализации предлагаемого способа получения слитка из сплавов цветных металлов, на фиг. 2 - структура сплава 01417 М. Представленное устройство содержит индуктор 1 и охладитель 2. Способ получения слитка из сплавов цветных металлов осуществляют следующим образом. Индуктор 1, питаемый током заданной частоты, создает переменное электромагнитное поле. Охладитель 2 предназначен для подачи на расплав охлаждающей жидкости. Расплав металла 3 подается в область действия электромагнитного поля индуктора 1. Под действием электромагнитного поля в жидком металле 3 находятся вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем приводит к возникновению электромагнитных сил. Потенциальная составляющая электромагнитных сил 4 удерживает расплав металла от растекания и позволяет исключить использование дополнительных форм для удержания,а вихревая составляющая приводит объем металла в движение по траектории 5. Посредством охладителя 2 непосредственно на расплав подается охлаждающая жидкость 6, за счет чего происходит ускоренная кристаллизация расплава металла 3 в зоне 7. Вынужденная конвекция, обеспечиваемая движением расплава металла по траектории 5, уравнивает условия охлаждения по всему сечению слитка. Расплав непрерывно затвердевает, образуя твердую фазу 8 слитка, и отводится из зоны действия электромагнитного поля. Для обеспечения высокого коэффициента теплоотдачи с поверхности расплава рекомендуется использовать в качестве охладителя 2 спрей-охладитель. Высокий коэффициент теплоотдачи при использовании такой конструкции охладителя объясняется сбиванием паровой пленки, образуемой за счет вскипания охлаждающей жидкости при контакте с расплавом металла. Выбор частоты электромагнитного поля производится с учетом электропроводности расплава и требований к геометрическим размерам получаемого слитка из условияrсл - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка; 0 - магнитная постоянная. Экспериментально было определено, что для получения эффекта ускоренной кристаллизации от быстрого охлаждения алюминиевого сплава радиус вписанной в отливаемый слиток сферы не должен быть более 20 мм. При увеличении радиуса больше указанного будет появляться неравномерность структуры в сечении по мере удаления от внешней поверхности, связанная с ухудшением условий охла-1 020788 ждения. Таким образом, например, для получения слитка радиусом 5 мм из алюминиевого сплава 01417 М на него воздействуют переменным электромагнитным полем с частотой где =22106 - электропроводность алюминиевого сплава 01417 М в жидком состоянии, (Омм)-1;rсл=0,005 - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка, м; 0=410-7 - магнитная постоянная, Гн/м. Устойчивое формирование слитка обеспечивается за счет выполнения двух условий: 1) положение зоны кристаллизации 8 должно быть в области наибольшей концентрации электромагнитных сил, например, для цилиндрического индуктора, на половине высоты индуктора; 2) необходимость соблюдения равенства электромагнитного давления (отношение электромагнитной силы к поверхности, на которую эта сила действует), создаваемого индуктором, и гидростатического давления, создаваемого объемом жидкого металла. Управление положением зоны кристаллизации при литье в цилиндрический индуктор возможно путем изменения скорости поступательного движения слитка. Величина гидростатического давления зависит от высоты столба жидкого металла над зоной фазового перехода. Величина электромагнитного давления зависит от величины тока в индукторе. Следовательно, для обеспечения устойчивого формирования слитка заданной формы необходимо либо поддерживать постоянной высоту столба жидкого металла при постоянной величине тока, либо регулировать величину тока в индукторе при изменении высоты столба жидкого металла. Данным способом из алюминиевого сплава 01417 М были получены образцы радиусом 5 мм для исследования микроструктуры. Образцы имели мелкокристаллическую структуру с размером зерен от 10 до 15 мкм (фиг. 2 и таблица). Предлагаемый способ имеет следующие преимущества: позволяет получать отливки с размером зерна менее 20 мкм; удержание расплава электромагнитными силами позволяет исключить конструктивные элементы для создания формы полуфабриката; отсутствие промежуточного контакта (формы) между охлаждающей жидкостью и расплавом позволяет получить высокий коэффициент теплоотдачи с поверхности слитка и значительно увеличить скорость кристаллизации; воздействие на расплав электромагнитным полем позволяет создать профиль движения металла в объеме его жидкой фазы на поверхности зоны кристаллизации, обеспечивающий выравнивание условий охлаждения по сечению получаемого слитка. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения слитка из сплавов цветных металлов, включающий подачу расплава в индуктор,воздействие на расплав и удержание расплава от растекания в области кристаллизации переменным электромагнитным полем заданной частоты, охлаждение слитка путем подачи охлаждающей жидкости непосредственно на поверхность расплава и кристаллизацию слитка, отличающийся тем, что частоту электромагнитного поля выбирают, исходя из выраженияrсл - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка, составляющий не более 20 мм; 0 - магнитная постоянная.