АНИСИМОВ, Олег Владимирович (ул. Академика Пилюгина, 14/2-417 Москв, 3 Moscow, 117393, RU)
АНИСИМОВ, Олег Владимирович (ул. Академика Пилюгина, 14/2-417 Москв, 3 Moscow, 117393, RU)
| Формула изобретения 1. Способ получения технически чистого металла и монокристалла из него, заключающийся в том, что заливают перегретый расплав в изложницу центробежного кристаллизатора, вращающуюся с постоянной заданной скоростью, причем скорость вращения выбирают из условия создания силового поля с гравитационным коэффициентом, обеспечивающим формирование в отливке зерна максимального размера после завершения всех процессов кристаллизации. 2. Способ по п.l, отличающийся тем, что значение гравитационного коэффициента выбирают из предварительно полученной зависимости размера зерна отливки металла от гравитационного коэффициента при проведении процессов кристаллизации в нестационарных силовых полях. 3. Способ по п.l, отличающийся тем, что температуру заливаемого в изложницу расплава выбирают из условия, что величина перегрева над температурой ликвидус с учетом скорости равномерного объемного охлаждения расплава обеспечивает время существования его жидкой фазы достаточное для формирования монокристаллической структуры отливки до достижения ею температуры начала процесса естественной кристаллизации. 4. Способ по п.З, отличающийся тем, что используют изложницу с толщиной футеровки из условия обеспечения объемного равномерного охлаждения расплава в изложнице со скоростью не более 0,05 °C/ceк и при необходимости ее дополнительно подогревают для обеспечения указанной скорости. 5. Способ по п.l, отличающийся тем, что поддерживают выбранную скорость вращения изложницы до достижения температуры отливки значения температуры, при которой в данном металле сплаве все процессы кристаллизации при естественных условиях завершены. 6. Способ по п.l, отличающийся тем, что после остывания отливки осуществляют механическое удаление вытесненных фронтом кристаллизации в центральную зону отливки включений. |
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к металлургическому а конкретно к литейному производству.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время получение технически чистых металлов производится исключительно методом зонного переплава.
В основе очистки такого типа лежит физическое явление оттеснения примесей в расплав растущим кристаллом, то есть фронтом кристаллизации при поли- или монокристаллическом строении твердого тела.
Известны различные варианты зонного рафинирования расплавов (Рfапп W.G. Zопе Меltiпg, Wilеу, N. Y., 1958; Сhаlmеrs В., Рriпсiрlеs оf Sоlidifϊсаtiоп, 1968, р.144), основанные на многократном повторении цикла локальной плавки, причем эта локальная зона перемещается в пространстве, организуя синхронное передвижение фронта кристаллизации. Фронт кристаллизации при этом в поперечном сечении слитка носит явно параболическую форму.
Кроме этого, на микроуровне фронт кристаллизации (далее - ФК) не плоский за счет альтернативного фронта дендритов, что резко ухудшает «oчиcтитeльныe» функции ФК. Дендритный или как самый лучший случай ячеистый ФК частично задерживает примеси, адсорбенты, локализуя их порой в периодически распределенные в пространстве структуры. В таких случаях требуется совершить 5-7 циклов переплава для устранения, например, примесей порядка 9x10%. Известны способы получения моноструктур, которые все без исключения основаны на создании в расплаве переохлаждений, соответствующих (ориентировочно) максимуму линейной скорости роста кристаллов (Сsосhrаlski J.Z., Рhуsik. Сhеm, 1917, Bd 92, S.219.; Сhаlmеrs В. Ргiпсiрlеs оf Sоlidifiсаtiоп, 1968, p.280). При этом для получения требуемой кристаллографической ориентации необходимо применение соответствующим образом установленных затравок.
Недостаток такого способа заключается в физической невозможности совмещения в одном технологическом процессе очистки и выращивания моноструктур. Кроме этого, физически невозможно существенно увеличить производительность зонной очистки и скорость выращивания моноструктур.
Наиболее близким к предложенному является способ получения особо чистых металлов и монокристаллов из них, включающий создание в расплаве переохлаждения, превышающего интервал метастабильности роста, в котором для получения монокристаллической структуры и сопутствующего рафинирования кристаллизацию расплава проводят в силовом поле центрифуг с коэффициентом гравитации, обеспечивающим создание адекватного переохлаждения в расплаве и равного разнице между оптимальным значением величины переохлаждения, соответствующего максимуму линейной скорости роста кристалла, и интервалом метастабильности роста. При выращивании монокристаллов и рафинировании расплава последний объемно охлаждают со скоростью 0,02-0,08 °C/c. Максимальный эффект от применения способа наблюдался при значении коэффициента гравитации 300 независимо от начального переохлаждения. (RU 2312156 C2, опуб. 10.12.2007).
Дополнительные исследования данного известного способа, проведенные авторами, показали, что отсутствие необходимого технологического перегрева расплава перед его кристаллизацией приводит к тому, что происходит дезорганизация процесса формирования плоского фронта кристаллизации, процесса рафинирования расплава, срыв формирования монокристаллической структуры отливки. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа производства технически чистых металлов и монокристаллов из них, который позволяет совместить процесс эффективной очистки расплавов любых металлов с выращиванием моно- или квазимонокристаллических структур из металлов или их сплавов.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения технически чистого металла и монокристалла из него, заключающемся в том, что заливают перегретый расплав в изложницу центробежного кристаллизатора, вращающуюся с постоянной заданной скоростью, причем скорость вращения выбирают из условия создания силового поля с гравитационным коэффициентом, обеспечивающим формирование в отливке зерна максимального размера после завершения всех процессов кристаллизации.
При этом значение гравитационного коэффициента выбирают предпочтительно из предварительно полученной зависимости размера зерна отливки металла от гравитационного коэффициента при проведении процессов кристаллизации в нестационарных силовых полях.
Кроме того, температуру перегретого расплава выбирают из условия, что величина перегрева над температурой ликвидус с учетом скорости равномерного объемного охлаждения расплава обеспечивает время существования его жидкой фазы достаточное для формирования монокристалла до начала процесса естественной кристаллизации.
Предпочтительно используют изложницу с толщиной футеровки, обеспечивающей объемное равномерное охлаждение расплава в изложнице со скоростью не более 0,05 C°/ceк, и при необходимости подогревают изложницу для обеспечения указанной скорости.
Кроме того, поддерживают выбранную скорость вращения изложницы до достижения температуры отливки значения температуры, при которой в данном металле сплаве все процессы кристаллизации при естественных условиях завершены.
Также после остывания отливки осуществляют механическое удаление вытесненных фронтом кристаллизации к центральной зоне отливки включений.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности производства особочистых металлов и монокристаллов из них за счет того, что формирование монокристаллической структуры отливки происходит вследствие обеспечения абсолютно плоских ФК, формирующихся при воздействии силового поля центрифуги с гравитационным коэффициентом, оптимальным для данного металла или сплава. ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Анализ возможности получения заданных кристаллических структур у отливки при ее формировании в неравномерных силовых полях. На фиг.l показаны теоретически предсказанные зависимости
Таммана, показывающие изменение скорости зародышеобразования п и линейной скорости V от значений переохлаждения ΔТ в точках расплава. На фиг.2 -подтвержденные многочисленными опытными работами зависимости крупности (размера) зерна K 3 от гравитационных коэффициентов адекватных силовых полей при проведении процессов кристаллизации в нестационарных силовых полях. На фиг.З - диаграмма зависимости величины зерна отливки от гравитационного коэффициента для технически чистого алюминия A99. ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из анализа этих зависимостей следует, что создание центрифугой силового поля с гравитационным коэффициентом (GK), равным Q 2 адекватно соблюдению требований создания в расплаве переохлаждения, соответствующего максимальной скорости роста размера кристаллов то есть ΔT v 0Пт соответствует Q 2 .
Создание таких условий приведет, при наличии закритических зародышей либо иных подложек, к резкому увеличению крупности зерна отливки за счет форсирования линейной скорости роста кристаллов. Следует отметить, что для любого конкретного типа сплава соблюдение условия (1) является оптимизацией с точки зрения получения максимально-возможного эффекта в задаче управления структурообразованием. Учитывая, что силовое поле центрифуги индифферентно к его массе, то есть Q зависит при направленной кристаллизации лишь от одной величины X к (радиус произвольной точки расплава в изложнице центрифугального кристаллизатора), можно сделать вывод о возможности управляемого получения заданных структуры в любых сечениях отливки.
Данное обстоятельство позволяет аналитически предсказывать зависимость крупности зерна в отливке. При воздействии на расплав в предкристаллизационный период сориентированных силовых полей, в зависимости от их интенсивности можно ожидать резкое изменение крупности зерна (фиг.2) при обеспечении направленной кристаллизации в нестационарном силовом поле центрифуги. Из фиг.2 видно, что изменение величины F(X K ) / mg (где F(X K ) - центробежная сила, m - масса зерна) (при центробежном литье это отношение равно коэффициенту гравитации GK) приводит к увеличению давления в расплаве и к объяснимому уменьшению величины зерна отливки.
Дальнейший рост интенсивности силового поля (гравитационного коэффициента) с Qi до Q 2 приводит, при наличии даже единичного количества зародышей в расплаве, к резкому увеличению линейных размеров кристаллов направленно расположенных в пространстве по отношению к F(X K ). При этом, в пределе, складываются условия для оптимально более быстрого роста монокристаллической структуры. Значение Q 2 адекватно созданию в расплаве переохлаждения, равного ΔT V OПT . Таким образом, используя приведенный физический механизм влияния силового поля на кристаллизующийся расплав, можно выращивать монокристаллы с необычно высокими скоростями. Следует отметить три обстоятельства, выгодно отличающие данный способ.
Во-первых, величина гравитационного коэффициента GK идентичен в любых точках расплава, равноудаленных от оси вращения, что обеспечивает абсолютно плоские ФК.
Во-вторых, воздействие силового поля центрифуги при повышенных значениях гравитационного коэффициента приводит к резкому уменьшению двухфазной зоны, что обеспечивает гораздо более эффективную очистку (рафинирование) расплава. В-третьих, наличие силового поля центрифуги с адекватной величиной гравитационного коэффициента приводит к резкому уменьшению температурного интервала метастабильности роста ΔT v μ и оптимального значения величины переохлаждения ΔT V OПT , соответствующего максимальному значению линейной скорости роста монокристаллов.
Перечисленные обстоятельства, аналитически рассчитанные и экспериментально подтвержденные, позволяют утверждать, что данный способ в отличие от любых способов рафинирования и выращивания монокристаллов эффективнее, в среднем, в 5-20 раз. Лабораторный способ получения зависимости размера зерна от гравитационного коэффициента.
Для решения этой задачи предлагается способ, суть которого состоит в следующем: слабоперегретый исследуемый расплав заливали в изложницу радиуса R с термодинамическими характеристиками, обеспечивающими объемное охлаждение расплава со скоростью не выше 0,05°C/c, вращающуюся с постоянной скоростью, обеспечивающей в точке максимального радиуса изложницы значение коэффициента гравитации соответствующего верхнему значению шкалы гравитационных коэффициентов на диаграмме. Для большинства металлов и сплавов такое значение равно 350. Величина перегрева заливаемого исследуемого расплава в сочетании со скоростью охлаждения расплава в данной изложнице должно обеспечить завершение процесса кристаллизации расплава в силовом поле до наступления процессов кристаллизации в естественных условиях. Количество заливаемого для исследований расплава обеспечивает полное заполнение изложницы от центра до радиальной границы изложницы. Кристаллизация расплава происходит в градиентном силовом поле центрифуги распределенном по величине коэффициента гравитации от 9,8 в центре изложницы и до максимального заданного значения у радиальной границы изложницы. В процессе кристаллизации в каждом круговом сечении отливки формирование структуры происходит при соответствующем данному значению радиуса R гравитационном коэффициенте, что предопределяет величину зерна в сечении. В дальнейшем выдерживается время, необходимое для остывания отливки во вращающейся с заданной постоянной скоростью изложнице лабораторной центрифуги до температуры завершения кристаллизационных процессов в естественных условиях. Для большинства алюминиевых сплавов эта температура составляет 450 - 500 0 C. Для некоторых сталей 900 0 C и выше. После завершения всех процессов из диска отливки вырезали радиальный тамплет в виде полосы шириной равной толщине отливки и длиной равной радиусу R отливки. Тамплет подвергается шлифовке, полировке и травлению, обычных при лабораторных исследования величины зерна отливок. В дальнейшем измеряли крупность (размеры) зерна в каждом сечении по всей длине подготовленного тамплета с выбранной дискретностью. Сопоставляя значения величины зерна с ординатой тамплета строили диаграмму зависимости величины зерна отливки от ординаты тамплета. Заменяли в диаграмме значения ординаты тамплета на величину GK через известную зависимость величины GK от величины R данной точки тамплета при известных оборотах ротора центрифуги.
Полученная диаграмма зависимости размера D зерна от величины гравитационных коэффициентов GK позволяет выбрать необходимые технологические режимы, оптимальные для данного металла или сплава, при получении отливок в силовых полях центрифуг.
Лабораторная установка, представляла собой центрифугальную машину с вертикальной осью на которой закреплен вращающийся ротор с изложницей. Ротор приводился во вращение электродвигателем с регулируемой скоростью вращения. Заданная скорость вращения ротора центрифуги стабилизировалась специальной электронной системой стабилизации заданных оборотов. Нужные термодинамические характеристики изложницы кристаллизатора, обеспечивающие скорость охлаждения не выше 0,05 °C/c, обеспечивались конструктивным исполнением футеровки изложницы и предварительным подогревом внутренней поверхности изложницы, перед заливкой расплава, пламенем газовой горелки до 200-250 0 C. Корпус ротора был выполнен из конструкционной стали толщиной 5 мм и состоял из нижней несъемной части и верхней съемной крышки. Внутренняя часть несъемной части и крышки содержали футеровку толщиной 40 мм. сформированную из смеси шамотной крошки-основной наполнитель, огнеупорной глины-связка и графита-агент, противостоящий растрескиванию футеровки, в пропорции 7/3/1, для придания изложнице нужных термодинамических характеристик, а также 5 мм химически нейтрального графита для защиты футеровки от теплового удара при заполнении изложницы расплавом. Внутренние размеры футерованной изложницы, а равно размеры затвердевшей отливки составляли: толщина диска отливки 10 мм, радиус 130 мм. Измерения проводились на технически чистом алюминии марки A99, Обороты ротора задавались равными 1700 об/мин, что при радиусе 130 мм давали верхнее значение ординаты коэффициента гравитации равным 250. Температура заливаемого расплава составляла 850 - 900 0 C. По истечении 20 мин вращения ротора с расплавом, опытом установленное время достаточное для уменьшения температуры затвердевшей отливки ниже 400 0 C, кристаллизатор останавливался и извлекалась дисковая отливка. После полного охлаждения диска, от центра к радиусной части вырезали тамплет размером: толщина - 10мм, ширина - 20 мм и длина - 130 мм. Затем тамплет подвергался двухстороннему фрезерованию по толщине тамплета по 3 мм с каждой стороны. Полученный тамплет толщиной 4 мм, шириной 20 мм и длиной 130 мм помещали в соответствующую по размеру формочку из пластмассы и заливали эпоксидной смолой заподлицо с тамплетом. После шлифовки, полировки и травления снимали показатели размера зерна по длине тамплета и наносили на диаграмму. Полученная диаграмма зависимости размера D зерна отливки от коэффициента гравитации технически чистого алюминия A99 показана на фиг. 3. Величина GK, обеспечивающая получение монокристаллическиой структуры отливки, как следует из полученной монограммы, для технически чистого алюминия A99 составляет 30. Наилучший способ достижения результата.
Предлагаемый способ получения монокристаллической (квазимонокристаллической) структуры отливки предполагает одностадийную технологию литья, когда слабоперегретый расплав заливают во вращающуюся с заданной скоростью изложницу кристаллизатора ротора центрифуги. При этом, заданная скорость вращения ротора кристаллизатора соответствовала оптимальному значению силового поля с гравитационным коэффициентом (GK) для данного металла или сплава, обеспечивающего формирование монокристаллической структуры зерна в отливке. Это значение гравитационного коэффициента силового поля снимали с построенных выше описанным способом, диаграмм зависимости крупности зерна отливок от гравитационных коэффициентов, при организации процессов кристаллизации в нестационарных силовых полях или полученных экспериментально. Изложница ротора центрифуги имела термодинамические характеристики обеспечивающие, вместе с величиной перегрева расплава, время существования в жидкой фазе достаточное для преимущественной кристаллизации расплава при заданной величине гравитационного коэффициента силового поля центрифуги до достижения расплавом, в условиях объемного равномерного охлаждения, температуры начала кристаллизации в обычных условиях. В дальнейшем заданный гравитационный коэффициент силового поля во вращающейся изложнице ротора центрифуги поддерживался постоянным до достижения затвердевшей отливки в процессе остывания температуры завершения всех процессов кристаллизации данного металла или сплава в обычных условиях. Скорость объемного равномерного охлаждения расплава устанавливалась не более 0,05 °C/c. Величина заданного значения гравитационного коэффициента силового поля в среднем сечении изложницы обеспечивала максимальную скорость роста размеров формирующихся кристаллов (Vi) и задавалась величиной оборотов ротора центрифуги при известном радиусе среднего сечения кольцевой изложницы. Необходимое значение оптимального для формирования монокристаллической структуры отливки гравитационного коэффициента (GK) силового поля получали или из диаграммы зависимости для данного металла или сплава или получали представленным способом в лабораторной литейной центрифуге. Для проверки эффективности предлагаемого метода был выполнен ряд отливок технически чистого алюминия A99 (чистота 99,995%) с последующим сравнительным анализом структуры и степени очистки от посторонних включений
Полученные результаты. Расплавы приготовлялись в графитированных тиглях печи сопротивления. Необходимая величина перегрева расплава перед заливкой в изложницу кристаллизатора для всех серий задавалась одинаковой и определялась температурой заливаемого в изложницу кристаллизатора расплава равной 880 0 C. Изложница кристаллизатора имела двухслойную футеровку состоящую из 40мм слоя теплоизоляционной массы на основе шамотной глины и 5 мм слоя графита. Футеровка вместе с предварительным подогревом изложницы до 200-300 0 C обеспечивала объемное равномерное охлаждение залитого расплава со скоростью менее 0,05°C/c.
Обороты ротора центрифугального кристаллизатора задавались для получения нужного силового поля с гравитационным коэффициентом GK = 30, обеспечивающего формирование монокристаллической структуры зерна в процессе кристаллизации для A99.
В ходе экспериментальных исследований данного способа были получены монокристаллы из алюминия, меди, арсенида галлия, никелевых жаропрочных сплавов с содержанием никеля до
72%. Минимальная (зарегистрированная) скорость роста моноструктуры, например, алюминия была равна 0,2-0,3 мм/с.
Минимальная эффективность очистки алюминия наблюдалась при использовании исходного сырья чистотой 99,995%, на выходе получался алюминий чистотой 99,9991%. Максимальная эффективность наблюдалась при получении алюминия чистотой
99,99997% из сырья 99,995% за один цикл рафинирования.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ Настоящее изобретение может быть использовано при производстве любых металлических отливок с моно- и квазимонокристаллическими структурами.
Применение предлагаемого изобретения позволяет улучшить служебные свойства многих, применяемых в промышленности сплавов. Применение предлагаемого изобретения может привести к значительному удешевлению процессов получения отливок с монокристаллическими структурами, значительно удешевив и сократив по времени применяемые сегодня технологические процессы получения монокристаллических структур отливок, при сохранении, а в ряде случаев и улучшении служебных свойств.
Кроме этого, изобретение целесообразно применять для эффективного рафинирования любых металлов и их сплавов.