СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРОИЗВОДСТВА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ С АМОРФНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
METHOD AND INSTALLATION FOR PRODUCTION OF BODIES OF ROTATION WITH AMORPHOUS SURFACE

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные.
В качестве аналога предлагаемого изобретения принят способ получения аморфных металлов методом разливки на охлаждаемую поверхность [1], где тонкая струя расплава, поступая на медную охлаждаемую поверхность, минуя процесс кристаллизации, формирует аморфную структуру за счет очень высокой скорости охлаждения. Данный аналог позволяет формировать аморфную ленту с уникальными физико-механическими свойствами, а именно лента имеет очень высокую прочность, твердость и пластичность.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ центробежного литья металла. Способ включает заливку металла и его затвердевание во вращающейся форме [2]. Центробежное литье - перспективный способ производства фасонных изделий с формой тел вращения преимущественно при крупносерийном их изготовлении [2].
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет снижения энергозатрат, сокращения производственного цикла, уменьшения массы металла при плавлении, уменьшения габаритов оборудования.
Поставленная цель достигается тем, что способ производства изделия в виде тела вращения кристаллической структуры, имеющего аморфную структуру поверхности, заключается в том, что на внутреннюю поверхность вращающейся охлаждаемой формы подают расплав металла с толщиной струи, обеспечивающей за один оборот формы образование аморфного и жидкофазного слоя заданной толщины на поверхности формы и сплавление на последующем обороте формы вновь поступающего со струи расплава с жидкофазным слоем с одновременным образованием аморфного и жидкофазного слоя, при этом процесс проводят до полного формирования изделия. При вращении формы вокруг вертикальной оси с одновременным поворотом вокруг горизонтальной оси и поступательным перемещением в горизонтальной плоскости заданная толщина изделия обеспечивается за счет изменения скорости подачи расплава на форму и регулирования скоростей вертикального вращения, горизонтального поворота и поступательного перемещения в горизонтальной плоскости формы по заданной программе, в зависимости от координат попадания струи металла на форму, регистрируемых бесконтактными датчиками слежения. Устройство для производства изделий в виде тел вращения кристаллической структуры, имеющих аморфную структуру поверхности, содержащее камеру плавления и охлаждаемую форму, установленную с возможностью вращения, отличается тем, что внутренняя полость формы и камеры плавления образует замкнутое единое пространство, при этом устройство выполнено с возможностью вакуумирования упомянутого пространства или создания в нем инертной среды, причем камера плавления жестко закреплена на фундаменте, а форма установлена с возможностью вращения относительно вертикальной оси, поворота относительно горизонтальной оси и поступательного перемещения в горизонтальной плоскости. Устройство выполнено с возможностью охлаждения формы поступающей на нее свободной струей воды со стороны, противоположной стороне поступления струи расплава из камеры плавления. Камера плавления и форма соединены посредством гофрированной трубы для обеспечения вращательного движения, поворота и поступательного движения формы с одновременной герметизацией внутренней полости камеры плавления и формы.
Предложенный способ реализует установка, представленная на фиг.1. Установка включает камеру плавления 1, в которой размещен охлаждаемый индуктор 3, в который сверху постепенно поступает расплавляемая заготовка 2. Индуктор может быть одновитковым или многовитковым, а также с раздельным питанием витков. Заготовка 2 установлена непосредственно по оси индуктора и удерживается за счет штока 5. Заготовка 2 оплавляется таким образом, что расплав концентрируется на ее центральной торцевой части и стекает тонкой струей 10. Индуктор, оплавляющий заготовку, имеет внутренний профиль, отображающий профиль заготовки. За счет бесконтактных датчиков 11 система слежения за процессом определяет толщину, скорость и координаты стекающей струи 10. Внутренняя полость камеры плавления 1 и медной охлаждаемой формы 4 вакуумируется за счет патрубка 9. Для того чтобы направить струю расплава в нужную часть внутренней плоскости, форму крепят на горизонтальной оси вращения 12, за счет которой форма 4 из вертикального положения может переходить в горизонтальное. Кроме того, ось вращения 12 имеет возможность поступательного движения в горизонтальной плоскости, тем самым расширяя возможности устройства по формированию изделий сложной формы, таких как баллоны или сильфоны.
Для того чтобы упростить конструкцию, последняя снабжена гофрированным сильфоном 7, соединяющим форму 4 и камеру плавления 1, в сопрягаемой части сильфона 7 и формы 4 установлено уплотнительное скользящее кольцо 8. На форму передается вертикальное вращение через ось 6. Данная конструкция устройства позволяет без дополнительных сложных устройств обеспечить плавление металла в вакуумной или инертной среде, слить его в виде струи на внутреннюю часть формы по заданным координатам и сформировать заданное по толщине изделие. Охлаждение формы может быть обеспечено за счет воды, поступающей на ее наружную поверхность.
Последовательность работы установки следующая. В камеру плавления 1 устанавливается заготовка 2, а снизу через скользящее уплотнение 8 устанавливается медная охлаждаемая форма 4. Ее внутренняя полость выполнена, например, в виде баллона. После чего внутренняя полость камеры плавления и формы вакуумируется через патрубок 9. Нижняя часть заготовки 2 заходит внутрь индуктора 3 и начинает оплавляться таким образом, что расплав концентрируется по ее оси и начинает стекать тонкой струей в форму. Момент слива расплава, его направление относительно формы и его толщину регистрируют датчики слежения 11, подавая сигнал на включение вращения и перемещения формы, поступающее через ось 6 и ось 12. После того как расплав коснулся вращающейся формы, на него будут также действовать центробежная сила и сила тяжести. При вращении формы относительно вертикальной оси [2] внутренняя поверхность металла будет принимать форму параболоида вращения. Так как в данном случае расплав металла поступает на внутреннюю поверхность формы в виде кольца, то внутренняя поверхность кольца, обращенная к оси вращения, также будет приобретать форму параболоида вращения (фиг.2). То есть нижняя часть кольца будет утолщенная, а верхняя часть по толщине будет стремиться к нулю. В отличие от обычного центробежного литья, в данном случае расплав останавливается и застывает только в зоне кольца, не растекаясь по всей поверхности формы в вертикальном направлении.
Согласно теории получения аморфных металлов [1], зависимость толщины "затвердевшего" граничного слоя от времени, для различной толщины металла, будет примерно выглядеть, как изображено на графике (фиг.3). В данном случае принята динамика затвердевания граничного слоя железоникелевого сплава на охлаждаемой меди. Если принять, что вертикальная скорость вращения формы составляет в среднем 10 оборотов в секунду (600 об/мин), то время, затраченное на один виток, соответственно составит 0,1 с. При этом, согласно графику, изображенному на фиг.3, затвердевший слой металла за это время достигнет толщины примерно 0,15 мм. Если струя металла в момент попадания на форму формируется в кольцо средней толщиной 0,5 мм, то за один оборот на данном кольце со стороны оси вращения остается в среднем толщина 0,35 мм жидкой фазы металла, за счет чего вновь поступающий со струи металл на новом обороте формы сливается или сплавляется в единое целое. Застывший слой металла в витке средней толщиной 0,15 мм в момент попадания на него нового слоя металла может не свариваться, так как эта застывшая часть металла уже имеет пониженную температуру. Схематически процесс формирования изделия за счет попадания струи 10 на охлаждаемую форму 4 изображен на фиг.2. Как известно, центробежная сила, действующая на частицу металла, при частоте n вращения формы равна
2
Р=m·r·ω;
где m - масса частицы, кг; r - радиус вращения, м;
-1
ω=π·n/30 - частота вращения формы, мин.
Как видно из фиг.2, из двух составляющих сил ω′ и r′, которые зависят от частоты вращения и радиуса вращения, складывается сила, определяющая крутизну параболы, изображенной в виде штриховой линии, а именно чем выше частота вращения, тем более крутая парабола оформляет внутреннюю поверхность металлического кольца.
н
н
н
с
с
с
н
с
с
н
с
Струя металла, касаясь формы и ранее сформированного на форме витка, образует зону Р, верхняя часть зоны, будучи самой утоненной и касаясь охлаждаемой медной формы при достаточно высокой скорости охлаждения, образует аморфный слой А. Нижняя часть зоны Р касается жидкой фазы предыдущего витка в его зоне Р, а также кристаллической зоны предыдущего витка К и аморфной зоны предыдущего витка А, при этом за счет поступления теплоты от верхнего витка зоны Р, Р и Ксплавляются, а зоны Р и А могут остаться не сплавленными. В итоге по толщине изделия формируется две зоны - кристаллическая К и аморфная А, при этом в межвитковом пространстве между собой аморфная зона может не сплавляться. На противоположной стороне формы в момент полуоборота витка образуются три фазовых состояния металла - жидкое Р, аморфное А и кристаллическое К.
Данная схема формирования изделия, изображенная на фиг.2, показывает, что если необходимо получить небольшую толщину изделия, то необходимо увеличить скорость вращения формы, величину шага витка и уменьшить толщину струи, при этом в конечном изделии увеличится количество аморфной фазы и уменьшиться количество кристаллической фазы. Если изделие не требуется изготовлять герметичным по его стенке, то можно добиться различными режимами его формирования полностью с аморфной структурой. Если же снизить скорость вращения формы, величину шага поступления расплава и увеличить толщину струи, то соответственно стенка изделия утолщится, а количество образуемых фаз сместится в сторону образования кристалла.
Для того чтобы строго прослеживать геометрию и толщину изделия по внутренней части формы, установка снабжена наружными и внутренними бесконтактными датчиками слежения, сигналы с которых сообщают координаты попадания струи металла на форму, и при отклонении от заданных параметров идет корректировка режима. Корректировка режима заключается в регулировке скорости вращения как по вертикали, так и по горизонтали, скорости и направлении горизонтального перемещения, толщины струи и т.п.
В отличие от аналога, метода получения аморфной ленты из жидкой фазы на медном охлажденном диске, предлагаемое изобретение имеет более широкие возможности по формообразованию, а именно с его помощью можно получать фасонные тела вращения.
Методом центробежного литья, где изделие формируется путем затвердевания достаточно большой порции расплава во вращающейся форме, деталь получается полностью кристаллической, а из-за большого времени затвердевания расплава в металле может происходить ликвация. В отличие от него предлагаемое изобретение может формировать как кристаллическую, так и аморфную структуру изделия. Высокая скорость затвердевания расплава не приводит к образованию ликвации в формируемом изделии, усадке и образованию трещин. Более того, металл, поступая тонкой струей в нужную часть вращающейся и наклоняющейся формы, как бы наматывается витками по охлаждаемой форме, при этом каждый виток за счет высокой скорости охлаждения практически фиксируется на месте его попадания на форму. В районе витка расплав только по высоте меняет свою геометрию, двигаясь в основном вверх на строго определенную высоту. За счет данной особенности формирования изделия стенка отливки может иметь как одинаковую толщину по высоте детали, так и различную. Так, например, при обычном центробежном литье внутренняя полость изделия вдоль оси вращения имеет поверхность в виде параболы вращения, а в данном способе внутренняя поверхность изделия будет иметь гладкую поверхность. Предлагаемое изобретение за счет попадания на форму очень небольшой порции расплава может сформировать по внутренней плоскости также волнистую поверхность. Тем самым возможности предлагаемого изобретения по сложному формозаполнению расширяются в значительной степени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гилман Д.Д. Металлические стекла. - М.: "Металлургия", 1984 (стр.40÷43).
2. Ефимов В.А. Специальные способы литья. Справочник. - М.: "Машиностроение", 1991 (стр.368÷369).