Способ изготовления отливок
METHOD FOR MANUFACTURING CASTINGS

Предлагаемое изобретение относится к литейному производству, в частности изготовлению отливок без заливки расплава в полость литейной формы.
Предлагаемый способ позволяет получать фасонные отливки любой конфигурации непосредственно из жидкого расплава без дополнительного использования форм.
Проблемой изобретения является исключение заливки расплава в полость формы, отображающей сложную конфигурацию отливки для получения требуемой литой заготовки, т.к. 85% фасонных отливок получают в песчаных формах с использование токсичных синтетических смол. Это обстоятельство является источником повышенной дефектности отливок и опасной экологической обстановки в литейных цехах.
Решение поставленной проблемы достигается доводкой требуемого объема расплава, помещенного в футерованный объем, до состояния переохлаждения и обработкой толщи расплава сфокусированным сканирующим энергетическим, в частности, акустическим, лазерным лучом, управляемым программой 3D согласно чертежу отливки; избыток расплава немедленно сливают после завершения сканирования.
Аналогами изобретения являются способ литья намораживанием [1], приведенном в справочнике по литейному производству, и конструкция кристаллизатора, защищенного патентом республики Беларусь [2]. Однако эти приемы пригодны только для изготовления деталей простой конфигурации.
Автор [3] доказал, что самофокусироваться могут не только свет, радиоволны и другие электромагнитные излучения, но и звуковые и гиперзвуковые волны, возбуждаемые мощными лучами лазеров или другими источниками в плотной среде. Это связано с волноводным самосжатием луча, увязав между собой оптические свойства среды и энергию луча. При этом поток энергии либо создаст собственный канал распространения - волновод, либо сфокусируется в точку, мгновенно высвобождая свою энергию. Учитывая, что ультразвук, как и электромагнитные волны, можно обрабатывать радиотехническими способами - генерировать, усиливать, модулировать, выпрямлять, фильтровать, при этом с возможностью его прохождения через металл, например, при дефектоскопии металлических изделий, то его использование также может быть применено в предлагаемом способе получения отливок. Существуют акустические усилители, преобразующие электромагнитные колебания в ультразвуковые, усиливают их и преобразуют усиленные ультразвуковые колебания в электромагнитные.
Для переохлаждения расплавленного металла его предварительно выдерживают в тепло - и виброизолированой емкости. Состояние переохлаждения подобно инерционному состоянию, которое может быть прекращено легким возмущающим энергетическим воздействием, например, ударной волной светогидравлического эффекта, образующейся в жидких средах при воздействии излучением лазера, хотя энергетическое воздействие на переохлажденный металл может быть весьма разнообразным, чтобы он начал кристаллизоваться. При этом нельзя сбрасывать со счетов и акустический террагерцевый лазер, обладающий большой мощностью и большой проникающей способностью, излучение которого легко фокусируется [4]. Другим источником излучения, который может быть использован для реализации способа, является радиостанция, по степени монохроматичности излучения которой, при использовании остронаправленной антенны, излучающей радиолуч, не может сравниться ни один из существующих технических источников, кроме лазеров. Особенно большие перспективы для осуществления предлагаемого способа видятся с использованием гамма-лазера. Но пока генерация излучения в гамма-диапазоне неосуществлена, хотя значительный прогресс достигнут в разработке схем на долгоживущих изомерах. Излучение лазера будет обладать сверхпроникающей способностью через значительные толщи металла.
Пока еще не удалось полностью объяснить механизм поглощения излучения. Однако с помощью светогидравлического эффекта получены ударные волны с широким диапазоном давлений, и это имеет большое практическое значение. Используя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать лазерным лучом, в жидких средах гидравлические и ультразвуковые импульсы [5]: «Экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения гидравлического ударного импульса при поглощении внутри жидкости светового луча квантового генератора (светогидравлический эффект)». Известно также воздействие лазерного излучения на ту или иную среду с запечатлением на ней следов воздействия в виде изображения [6]. В предлагаемом способе изготовления отливок следами воздействия лазерного излучения на переохлажденный металл являются стыкующиеся между собой зоны кристаллизации в точках фокусировки (точки разряда) сканирующего лазерного луча в жидком металле по программе компьютерного обеспечения (система 3D), в которой заложен чертеж отливки. При этом эффективно используется инерционная способность жидкого переохлажденного металла не быть подвергнутым энергетическому воздействию вне зоны фокусировки, что достигается свойством лазерного излучения создавать светогидравлический эффект (ударный волновой разряд) при малой длительности импульса и при малом диаметре луча, желательно не превышающим размер металлографического зерна (до 100-150 мкм, лучше в пределах 20 мкм). Малая же длительность импульса в пределах 1-2,5 мс, достаточная для осуществления светогидравлического разряда, хотя и меньшая, чем для создания разряда электрогидравлического [7] дает возможность иметь очень большую мощность импульсного излучения, так как «мощность равна отношению энергии ко времени». При этом мощность излучения при определенной длине волны должна быть такой, чтобы пройти при необходимости через зафутерованный корпус емкости с переохлажденным металлом до предполагаемого местонахождения в нем отливки и создать светогидравлические разряды в металле, соответствующие форме отливки.
Возможность прохождения лазерного излучения через оптиконепроницаемые для обычного излучения среды доказана разработанной математической моделью прохождения и фокусировки лазерных лучей внутри материалов [8]. При этом в точках фокусировки энергия ударной волны должна быть такой, чтобы она не выходила за пределы поверхности отливки с возможностью искажения ее формы излишней кристаллизацией. Поэтому, с учетом радиуса действия ударной волны, точки фокусировки разрядов, ограничивающих поверхность отливки, должны находиться внутри объема отливки на расстоянии от поверхности не менее данного радиуса. При достаточно высокой необходимой мощности разряда энергия ударной волны, согласно вышеприведенной формуле, может быть весьма небольшой, а, значит, и радиус ее действия тоже будет небольшим.
Таким образом, малая длительность импульсов излучения и инерционность системы позволяют реально смотреть на возможность осуществления предлагаемого способа изготовления отливок без использования литейных форм.
Кроме всех прочих указанных условий необходимо, чтобы скорость сканирования была по возможности наибольшей, что достигается не только краткостью импульсов излучения, но и частотой повторения импульсов, зависящей, например, для рубинового лазера, насколько хорошо стержень лазера выдерживает высокую температуру. Рекордная частота для импульсного лазера - двенадцать миллионов вспышек в секунду. Чем выше скорость сканирования, тем больше вероятность получить полностью закристаллизовавшуюся отливку за время нахождения металла в переохлажденном состоянии. Например, при диаметре луча 0,1 мм и частоте повторения импульсов 10 Кгц скорость движения луча, определяющей скорость сканирования, от одной сфокусированной точки (зоны) до другой, будет: 0,1×10 Кгц = 1000 мм/сек. Это даст непрерывную (сплошную) поверхность сфокусированных точек закристаллизовавшегося металла без зазоров. При этом длительность импульсов здесь роли не играет, так как она не превышает тысячных (или даже миллионных) долей секунды. Следует еще сказать, что «высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида, при этом молекулы других видов остаются невозбужденными» [9]. И можно избежать повторного (многократного) возбуждения молекул закристаллизовавшегося металла при неоднократном излучении в одну и ту же точку, когда частота повторения импульсов опережает скорость движения луча.
Таким образом, селективность, обусловленная различием строения молекул жидкого и закристаллизовавшегося металла, позволяет облучать последний многократно, не вызывая возможности его разрушения (абляцию). То есть селективность допускает возможность несоответствия между частотой импульсов излучения и скоростью движения луча при сканировании, что расширяет возможности предлагаемого способа изготовления отливок, проявляющееся также в том, что «подбирая частоту возбуждения, удается не только осуществлять избирательную активацию молекул, но и менять глубину проникновения в зону реакции. Наконец, возможность фокусированного лазерного излучения позволяет вводить энергию локально, в определенную область объема, занимающего реагирующей смесью. Достаточно коротким и интенсивным импульсом излучения при малом давлении оказывается возможным возбудить и фрагментировать молекулы за времена более короткие, чем время межмолекулярного обмена энергией при столкновениях» [9]. При этом надо сказать, что под фрагментацией молекул можно понимать и кристаллизацию переохлажденного металла.
Процесс кристаллизации будет реализован путем последовательного затвердевания за 70-100 мс. Такое время необходимо программе 3D для сканирования самого сложного чертежа средней отливки. За это время остальная часть объема расплава не успеет выйти из состояния переохлаждения и позволит удалить ее из рабочей емкости.
Таким образом, проблема исключения этапа заливки расплава в литейную форму из процесса изготовления фасонных отливок надежно решается и при этом без затрат на дорогостоящее оборудование с ликвидацией экологической опасности, исходящей от формовочных процессов его производительности. Другими словами, предлагаемое изобретение полностью решает поставленную техническую проблему.
Источники информации
1. Иванов В.Н. Литье непрерывным намораживанием непосредственно из расплава. Словарь-справочник по литейному производству. М., Машиностроение, 1990 г., с. 150.
2. Патент республики Беларусь BY 12212 «Кристаллизатор для непрерывного циклического литья намораживанием». МПК 22D 11/00. Приоритет от 03.11.2006 г.
3. Аскарьян Г.А. Открытие № 67. Эффект самофокусировки. Приоритет от 22.12.1961 г. и 08.06.1966 г.
4. Журнал «Инженер», № 9, 2018 г., стр. 17, 18.
5. Прохоров A.M. и др. Открытие № 65. Светогидравлический эффект. Приоритет от 28.02.1963 г.
6. Журнал «Изобретатель и рационализатор», № 10, 1996 г., стр. 9.
7. Радиогидравлический эффект - от ракет до безаппаратной радиосвязи. В сб.: Электроника: Наука, Технология, Бизнес. № 5, 2005 г., стр. 86.
8. Варданян P.P., Даллакян В.К., У. Керст, К. Бойт. Государственный инженерный университет Армении, г. Ереван; Берлинский технический университет, Германия. Известия НАН Армении. Физика, т. 46, № 5. 2011 г.
9. Химическая энциклопедия. т. 2, стр. 565. М., Советская энциклопедия.