Способ получения слитков из композиционных материалов

 

Изобретение относится к металлургии. Способ включает нагрев несмешивающихся между собой металлов до температуры не менее, чем на 50 ^oC выше критической, с получением гомогенного расплава, его выдержку в течение 5-30 мин, последующее вытягивание слитка и охлаждение до полной кристаллизации в скрещенных электрическом и магнитном полях с плотностью тока, изменяющейся с учетом удельного веса, удельной проводимости компонентов, индукции магнитного поля и скорости вытягивания слитка согласно выражению: где j - средняя плотность тока, А/см²; ₁ и ₂ - удельные веса металлов, г/см³; B - индукция магнитного поля, Тл; m = (₂-₁)/2(₂+₁), где ₁ и ₂ -удельные проводимости металлов, См/м; v - скорость вытяжки слитка, м/мин; v_о - скорость обрыва слитка при выбранных условиях охлаждения, м/мин; p и k - эмпирические коэффициенты, где p изменяется от 1.05 до 2.00, а k изменяется от 0.01 до 1.50.

Для сплавов системы Al-Pb с содержанием свинца до 25 % (по массе) и толщине слитка до 25 мм эмпирический коэффициент k равен 0,02-1,1. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к области разливки металла с использованием электромагнитного воздействия при производстве литых псевдосплавов системы алюминий-свинец.

Известен способ непрерывной разливки слябов /1/, при котором отливаемый сляб в зоне кристаллизатора помещают в постоянное или переменное магнитное поле, а в перпендикулярном направлении пропускают постоянный или переменный электрический ток. Однако этот способ предназначен для регулирования гидростатического давления жидкого металла в кристаллизующемся слитке и не может обеспечить получение качественных отливок из материалов, имеющих область расслоения в жидком состоянии, таких как псевдосплавы системы алюминий-свинец, так как в данном изобретении не учитывается величина электромагнитного воздействия на расплав и его взаимосвязь с составом сплава и режимами вытяжки слитка.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ получения слитков из композиционных материалов, включающий нагрев несмешивающихся между собой металлов до температуры выше критической, выдержку расплава при этой температуре, вытягивание слитка и охлаждение до полной кристаллизации в скрещенных электрическом и магнитном полях /2/.

Известный способ имеет хорошие результаты в том случае, когда охлаждение и кристаллизацию расплава проводят в обычных литейных формах, не применяя методы непрерывной разливки. Однако в случае непрерывной разливки сплавов, имеющих области несмешиваемости компонентов в жидком состоянии, величина электромагнитной обработки, определяемая известным способом, не позволяет получить необходимого распределения мягкой структурой составляющей по объему слитка.

Это связано с тем, что величина электромагнитной обработки и, следовательно, структура слитка зависят от скорости охлаждения расплава. При увеличении скорости охлаждения оптимальное качество слитка достигается при величинах средней плотности тока несколько меньших при той же индукции магнитного поля. При непрерывной разливке скорость охлаждения металла напрямую связана со скоростью вытяжки слитка. Таким образом, средняя плотность тока, пропускаемого через расплав, зависит от скорости его вытягивания, что не учитывается в известном способе.

Кроме того, движение металла вдоль направления вектора электрического тока приводит к дополнительным поправкам при определении параметров электромагнитной обработки.

Задача способа получение наиболее равномерного распределения мягкой структурной составляющей по объему слитка и достижение оптимального комплекса антифрикционных и механических характеристик материала.

Способ получения слитков из композиционных материалов включает нагрев несмешивающихся между собой металлов до температуры T выше критической T^* с получением гомогенного расплава, его выдержку при этой температуре в течение 5-30 мин и последующее охлаждение до полной кристаллизации в скрещенных электрическом и магнитном полях с регламентируемой плотностью тока, причем кристаллизацию ведут с вытягиванием слитка, а плотность тока выбирает в соответствии с зависимостью:
где: средняя плотность тока, А/см²;
₁ и ₂ удельные веса металлов, г/см³;
B индукция магнитного поля, Тл;
m = (₂-₁)/(2₂+₁),
где ₁ и ₂ удельные проводимости металлов, см/м;
p и k эмпирические коэффициенты, где p 1,05-2,00 и k 0,01-1,050;
V_о скорость обрыва слитка при выбранных условиях охлаждения, м/мин;
V скорость вытяжки слитка, м/мин.

Кроме того, для сплавов системы Al-Pb с содержанием свинца до 25 по массе и толщине слитка до 25 мм значение коэффициента k составляет 0,02-1,1, при этом температура перегрева расплава удовлетворяет условию T T^* 50 ^oC.

При кристаллизации непрерывного слитка металл в кристаллизаторе находится лишь до образования затвердевшей поверхностной корки, прочность которой выдерживает напряжение вытяжки. Дальнейшая кристаллизация сплава происходит в зоне вторичного охлаждения существенно меньше. Таким образом, чем более длительное время металл находится в кристаллизаторе, то есть чем меньше скорость вытягивания слитка, тем выше средняя скорость затвердевания расплавленного металла. Экспериментально установлено соотношение, связывающее среднюю плотность тока, пропускаемого через расплав, со скоростью вытягивания слитка при различной интенсивности теплоотвода, при котором достигается равномерное распределение мягко структурной составляющей по объему слитка. При определении величины тока электромагнитной обработки согласно предлагаемому способу удается достичь удовлетворительного распределения мягкой структурной составляющей по объему слитка. Удовлетворительным можно считать такое распределение, при котором соотношение содержания мягкой структурной составляющей в нижней части слитка к ее содержанию в верхней части слитка составляет R 1,5-2,0.

Пример. Выплавлялся сплав, содержащий 79 Al, 10 Pb, 10 Sn и 1 Cu (по массе). Критическая температура T^* для сплава указанного состава составляет 950 ^oC. Плавку вели в промышленной индукционной печи. При температуре выпуска металла из печи T 995 ^oC, то есть при перегреве T - T^* 45 ^oC, расслоение сплава начиналось уже в металлоприемнике, что приводило к обрыву слитка. Поэтому в дальнейшем температура выпуска металла составляла 1150 ^oC. Скорость вытяжки слитка составляла 0,20 и 0,25 м/мин. В таблице приведены результаты исследования по влиянию параметров электромагнитной обработки на структуру получаемых материалов.

Плавки 1 и 2 проводились при плотности тока электромагнитной обработки которая рассчитывалась согласно формуле (I), использованной в прототипе. А в плавках 3 и 4 плотность тока определялась соответствии с выражением (2) данного изобретения. Как следует из приведенных данных, в последних двух случаях однородность распределения мягкой структурной составляющей по высоте слитка увеличилась в 1,5 раза.

Формула изобретения

1. Способ получения слитков из композиционных материалов, включающий нагрев не смешивающихся между собой металлов до температуры выше критической с получением гомогенного расплава, его выдержку при этой температуре, вытягивание слитка и охлаждение до полной кристаллизации в скрещенных электрическом и магнитном полях, отличающийся тем, что кристаллизацию ведут с регламентируемой плотностью тока, которую выбирают в соответствии с математическим выражением

где средняя плотность тока, А/см²;
₁ и ₂ - плотность металлов, г/см³;
В индукция магнитного поля, Тл;
m = (₂-₁)/(2₂+ ₁),
₁ и ₂ - удельные проводимости металлов, см/м;
р и k эмпирические коэффициенты, p 1,05 2,00, k 0,01 1,50;
v_o скорость обрыва слитка при выбранных условиях охлаждения, м/мин;
v скорость вытяжки слитка, м/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку расплава перед кристаллизацией ведут в течение 5 30 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для сплавов системы с содержанием свинца до 25 мас. и толщине слитка до 25 мм k 0,02 1,1.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина перегрева расплава выше критической температуры составляет не менее 50^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1