Способ воздействия на расплавленный металл

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, в частности, к средствам изменения структуры черных и цветных металлов и их сплавов посредством электромагнитных полей.

Известен способ ультразвуковой обработки жидкого и кристаллизующегося металла [Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский и др. // М.: Высшая школа. - 1987. - С. 224-291]. Суть метода состоит во введении излучателя ультразвуковых колебаний в объем расплавленного металла и воздействие механических ультразвуковых колебаний на расплавленный металл, вызывающих в нем кавитационные явления. Они приводят к дегазации расплава и повышению качества получаемых отливок. Основной недостаток использования ультразвуковой обработки заключается в малой устойчивости излучателя, поскольку он находится в расплавленном металле и подвергается воздействию высокой температуры и механических колебаний.

Известен способ воздействия лазерным излучением на алюминиевые расплавы [Перелома, В.А. Лазерное воздействие на жидкое и жидко-твердое состояние алюминиевых сплавов / В.А. Перелома, В.П. Лихошва // Литейное производство. - 1999. - №9. - С. 8]. Суть способа заключается в облучении расплава непрерывным или импульсным электромагнитным излучением. Проводят обработку поверхности расплавленного металла сфокусированным лучом путем перемещения его по поверхности, либо расфокусированным лучом, который охватывает всю поверхность. К недостаткам этого способа следует отнести невозможность обработки больших объемов металла, поскольку воздействие осуществляется через поверхность расплава.

Наиболее близким по технической сущности является способ воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл [Пат. 2198945, Российская Федерация, МПК С22В 9/22, С22D 10/00, С22F 3/00]. Известное техническое решение обеспечивает повышение жидкотекучести расплава и некоторое повышение физико-механических свойств получаемых отливок из алюминиевых сплавов. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- максимальная мощность и напряженность электромагнитного поля фиксируется вблизи излучателя на расстоянии от него не более 3 см, что не обеспечивает равномерность обработки расплавленного металла во всем объеме тигля печи;

- недостаточная эффективность при обработке больших объемов расплава;

- отсутствие эффекта рафинирования расплава;

- слабо выраженное модифицирование сплавов.

Все это в своей совокупности существенно снижает качество получаемых отливок, в особенности сложнопрофильных и тонкорельефных.

В основу изобретения положена задача повышения физико-механических свойств металлов и сплавов, а также качества получаемых из них отливок за счет эффективного воздействия на тонкую структуру расплава проведением его обработки наносекундными электромагнитными импульсами одновременно с рафинированием и модифицированием.

Указанная задача решается таким образом, что в способе воздействия на расплавленный металл, включающем обработку расплава наносекундными электромагнитными импульсами, согласно изобретению, обработку проводят циклично, при этом расплав металла под давлением инертного газа на зеркало расплава подают из тигля печи в металлопровод, одновременно с воздействием на расплав наносекундных электромагнитных импульсов осуществляют модифицирование и рафинирование расплава путем его продувки аэрозолью, состоящей из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, с расходом 10…18 л/мин⋅см², затем возвращают обработанный расплав в тигель печи, а количество циклов задают исходя из химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве.

Одновременно с воздействием наносекундных электромагнитных импульсов обработка расплава наноструктурированным алмазным порошком обеспечивает эффективное модифицирование тугоплавкими частицами с формированием кластерных образований и центров кристаллизации расплава.

Обработка аэрозолью из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему, вызывая рафинирование и модифицирование сплава, создает условия для повышения физико-механических свойств сплавов и получаемых из них отливок.

Обработка наносекундными электромагнитными импульсами в проходящем потоке расплава в металлопроводе обеспечивает максимальную эффективность воздействия электромагнитным излучением на структуру и свойства расплава, поскольку наибольшая мощность достигается вблизи излучателя.

Цикличность в обработке расплава и расход подачи аэрозоля 10…18 л/мин⋅см² повышают экономичность обработки расплава. Количество циклов устанавливают в пределах - 1…3 в зависимости от химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве.

Наноструктурированный алмазный порошок состоит из тугоплавких ультрадисперсных частиц, которые являются эффективными центрами зародышеобразования при кристаллизации чугуна. Ультрадисперсный алмаз, или наноалмаз, - это углеродная структура, имеющая кристаллическую решетку типа алмаза и размеры 1…10 нм. На рисунке 1 представлено изображение наноалмаза, полученное средствами растровой электронной микроскопии (РЭМ).

В процессе производства алмазов взрывным способом образовывались алмазные частицы размером менее 100 нм. Они содержались в углеродной пыли, оседавшей на стенках камер. Открытие этих частиц принадлежит советским ученым ВНИИТФ города Снежинска В. Даниленко, В. Елину, К. Волкову [Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом / В.В. Даниленко. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 272 с]. Независимые разработки по синтезу ультрадисперсных алмазов велись в США, а в 1984 году началось опытно-промышленное производство наноалмазов в Бийске.

На фиг. - Изображение наноалмаза, полученное с помощью РЭМ.

Взрывной способ имеет ряд неоспоримых преимуществ перед статическим. Прежде всего, нет необходимости в металлах-катализаторах, примеси которых снижают прочность и термостойкость алмаза. Кроме того, параметры взрывного процесса, такие как давление, скорости нагружения, температуры сжатия и остаточные температуры, можно регулировать способом сжатия, подбором взрывчатого вещества с определенными свойствами, предварительным нагревом или охлаждением. В результате синтеза в сильнонеравновесных условиях получаются уникальные нанокристаллические структуры.

Главной особенностью данного метода является возможность получать наноалмаз непосредственно из содержащегося во взрывчатом веществе углерода. Для этого необходимо использовать составы с отрицательным кислородным балансом (количество кислорода меньше количества окисляемых компонентов), тогда свободный углерод конденсируется в наноалмазной фазе. Полученный продукт называется алмазной шихтой (смесь алмаза с неалмазными формами углерода). К взрывчатым веществам с отрицательным кислородным балансом относятся гексоген, тротил (ТНТ) и др.

Для определения среднего размера агрегатов и соотношения размерных фракций посредством ультразвукового диспергирования авторами получена суспензия диспергированного наноалмаза в воде с концентрацией частиц 0,1 мас. %. Размеры частиц в полученной суспензии определены прибором Zetasizer Nano ZS Malwern Instruments, результаты приведены в таблице 1.

Средний размер частиц, таким образом, составляет 133 нм, доля частиц размером менее 100 нм составляет 18,6%, что позволяет отнести используемый материал к наноструктурированному (наноструктурированный алмазный порошок). Он по сути является отходом производства, поскольку в настоящее время в основном используют порошки с размером частиц 5…10 нм.

Способ воздействия на расплавленный металл осуществляют следующим образом.

Производят давление (1,5…2,5)×10⁵ Па инертного газа (аргона) на зеркало расплавленного металла и за счет этого осуществляют его подачу из тигля печи в металлопровод. При прохождении потока расплава в металлопроводе обрабатывают расплавленный металл наносекундными электромагнитными импульсами (импульсная мощность 1 МВт, частота повторения импульсов 1000 Гц, продолжительность импульса 10^-9 с). Одновременно с этим продувают расплав аэрозолью из инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему. Расход составляет 10…18 л/мин⋅cм². Давление на зеркало расплава меньше 1,5×10⁵ Па не позволяет осуществить его движение в металлопроводе. Если этот параметр будет больше 2,5×10⁵ Па, скорость движения расплава по металлопроводу будет превышать допустимую скорость для эффективной обработки.

Рафинированный и модифицированный сплав возвращается в тигель печи, процесс циклически повторяется. Количество циклов 1...3 зависит от химического состава шихты и содержания неметаллических включений в расплаве. Максимальная величина - 3 цикла выбирается в случае повышенного количества в шихте вредных примесей и «засоренности» расплава неметаллическими включениями, а 1-го цикла достаточно, если количество примесей соответствует значениям, представленным в ГОСТе на марку сплава.

При соотношении между количеством инертного газа и наноструктурированного алмазного порошка более 20 и расходе аэрозоля менее чем 10 л/мин⋅см² резко падает эффективность рафинирования и модифицирования сплавов, если указанное соотношение меньше 20 и расход аэрозоля превышает 18 л/мин⋅см², то неоправданно возрастает количество затрачиваемого наноструктурированного алмазного порошка.

Предлагаемый способ воздействия на расплавленный металл иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Расплавляют чугун (СЧ25) химического состава: 3,2% С; 0,2% Р; 0,12% S; 1,75% Si; 0,7% Mn; Fe - остальное. Плавильный агрегат - высокочастотная индукционная печь емкостью 20 кг с хромомагнезитовой футеровкой. Печь закрывается кожухом с металлопроводом. На зеркало расплавленного чугуна создается давление инертного газа (1,5…2,5)⋅10⁵ Па. Расплавленный чугун поступает в металлопровод, где осуществляется его обработка в проходящем потоке с применением генератора наносекундных электромиагнитных импульсов мощностью в импульсе 1 МВт, частотой повторения импульсов 1000 Гц и продолжительностью одного импульса 10^-9 с [Патент №2030097 РФ, МКИ Н03K 3/33, K3/45. Формирователь наносекундных импульсов / Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92]. Одновременно в металлопровод подается аэрозоль из инертного газа (аргона) и наноструктурированного алмазного порошка в соотношении 20:1 по объему. После рафинирования и модифицирования расплав чугуна возвращается в тигель. Количество циклов - 1, поскольку содержание примесей не выходит за пределы ГОСТ 1412-85. Обработанный расплав заливается в формы для проб, которые изготовлены из песчано-глинистой смеси влажностью 3,5%. Для оценки структуры и механических испытаний получены цилиндрические пробы диаметром 30 мм и длиной 200 мм. Испытания на прочность проводили на разрывной машине INSTRON при скорости растяжения 2 мм/мин. Для сравнения осуществляют обработку расплавленного металла согласно прототипу.

Влияние рассматриваемых способов воздействия на свойства чугунных отливок представлено в таблице 2.

Пример 2. Расплавляют алюминиевый сплав АК12 химического состава: 12% Si; Fe - 1,5%; Al - остальное, сплав загрязнен неметаллическими включениями Аl₂О₃. Плавильный агрегат - печь сопротивления. Обработку осуществляют аналогично примеру 1, но количество циклов - 3, поскольку расплав «засорен» неметаллическими включениями, а содержание Fe (вредная примесь) выше допустимого ГОСТ 1583-93. Сравнительные показатели способов воздействия на алюминиевый расплав представлены в таблице 3.

Таким образом, полученные результаты показывают, что разработанный способ обеспечивает улучшение физико-механических свойств получаемых отливок и их качества за счет одновременного воздействия наносекундных электромагнитных импульсов, рафинирования и модифицирования сплавов, диспергирования их структуры под действием тугоплавких частиц наноструктурированного алмазного порошка и указанной электроимпульсной обработки в проходящем потоке расплава.