Установка для замешивания частиц в металломатричный расплав

Полезная модель относится к области получения дисперсно-упрочненных металломатричных композиционных материалов. Данная полезная модель позволяет реализовать метод механического замешивания твердых частиц в матричный расплав и получить композиционный материал с металлической матрицей, наполненной частицами.
Разработка дисперсно-упрочненных композиционных материалов является одним из эффективных путей создания новых материалов с повышенными механическими характеристиками. Одним из наиболее технологичных и дешевых способов получения дисперсно-упрочненных композитов является метод механического замешивания наполнителя в расплав. Для реализации данного метода используются специальные установки, конструктивно состоящие из следующих основных элементов: печи, замешивателя (импеллера) и направляющих опор. Качество получаемых данным способом композиционных материалов, помимо прочих технологически факторов, во многом определяется конструкцией используемого при замешивании импеллера.
Известна установка для производства композиционных материалов методом перемешивания (М. Singla, D. Dwivedi, L. Singhand V. Chawla, "Development of Aluminium Based Silicon Carbide Particulate Metal Matrix Composite," Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, Vol. 8 No. 6, 2009, pp. 455-467; дата публикации 20.06.2009), содержащая мешалку с четырьмя лопастями, установленными под углом 45°, изготовленную из мягкой стали. Положение мешалки выбрано таким, чтобы 35% материала было ниже мешалки, а 65% - выше мешалки.
Известна также установка (Т.А. Чернышова, Ю.А. Курганова, Л.И. Кобелева, Л.К. Болотова. Литые дисперсно-упрочненные алюмоматричные композиционные материалы: изготовление, свойства, применение. Ульяновск: УлГТУ, 2012; подписано в печать 24.09.2012), содержащая смеситель, располагающийся на раме, которая имеет катки и может перемещаться на печь и от печи по направляющим опорам. Рабочим органом смесителя является импеллер, выполненный из листового титана, поверхность которого защищена от растворения в расплаве термохимической обработкой в твердом карбюризаторе.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является установка, состоящая из вертикальной муфельной печи сопротивления, тигля диаметром 120 мм и высотой 200 мм и устройства для замешивания порошков в расплав (Калашников И.Е. Развитие методов армирования и модифицирования структуры алюмоматричных композиционных материалов [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук / Калашников Игорь Евгеньевич. - ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН. - Москва, 2011 г.; 07.12.2011). Устройство для замешивания порошков состоит из электродвигателя, лопастного замешивателя, изготовленного из титана и вольфрама и соединенного с валом электродвигателя, и станины с держателем, с помощью которого осуществляется ввод замешивателя в расплав.
Общим недостатком выше перечисленных устройств является недостаточная эффективность введения частиц в расплав, выражающаяся в неполном введении частиц в матрицу (разнице между теоретической долей вводимого армирующего наполнителя и полученным реальным объемным содержанием наполнителя в композиционном слитке) и в недостаточно равномерном распределении частиц по телу матрицы в жидком состоянии.
Задачей заявляемой полезной модели является эффективное замешивание частиц в металломатричный расплав, позволяющее получить композит на основе металлической матрицы с равномерно распределенными частицами по всему объему материала.
Указанная задача достигается тем, что разработана конструкция установки, состоящей из шахтной печи, оборудованной глиняно-графитовым тиглем диаметром 60 мм и высотой 84 мм, замешивателя специальной формы, изготовленного из графита, электродвигателя, к которому крепится замешиватеь, и стойки, обеспечивающей перемещение замешивателя вверх-вниз с ходом 100 мм, а также поворот на 360° вокруг оси. Для осуществления перемещения электродвигателя с замешивателем стойка оснащена ручным приводом, включающим в себя пару зубчатое колесо-рейка. Для реализации поворота ось стойки в нижней части выполнена в виде цилиндра и установлена в ответную цилиндрическую деталь. Для фиксации конструкции в необходимом положении предусмотрены стопорные винты.
Заявляемая полезная модель поясняется при помощи двух фигур. На фиг. 1 изображен специально профилированный замешиватель (импеллер), изготавливаемый из графита. На фиг. 2 изображен внешний вид установки, на котором печь и тигель показаны в разрезе. Цифрами на фигуре обозначены: 1 - шахтная электрическая печь сопротивления; 2 - тигель; 3 - замешиватель; 4 - электродвигатель; 5 - ручной привод, оснащенный парой зубчатое колесо-рейка; 6 - винты, позволяющие фиксировать замешиватель на необходимой высоте; 7 - винт, фиксирующий конструкцию при повороте.
Устройство работает следующим образом. В предварительно разогретую печь (поз. 1 на фиг. 2) в тигель (поз. 2 на фиг. 2) загружают куски матричного металла (шихту) и расплавляют их. В расплавленный металл погружают замешиватель (поз. 3 на фиг. 2), используя для перемещения замешивателя ручной привод (поз. 5 на фиг. 2) и фиксируя замешиватель в нужном положении с помощью стопорных винтов (поз. 5, 6, 7 на фиг. 2). Далее включают электродвигатель (поз. 4 на фиг. 2), который приводит в движение замешиватель. Вращение замешивателя формирует на поверхности металла воронку, в которую вводят частицы наполнителя. Частицы наполнителя увлекаются потоками, создаваемыми вращающимся замешивателем, и с поверхности расплавленного металла попадают в его объем, распределяясь во всем объеме матричного сплава. По истечении процесса замешивания выключают электродвигатель, и извлекают замешиватель из расплава с помощью ручного привода. При необходимости осуществляют поворот конструкции для удобства извлечения тигля из печи.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет получить металломатричный упрочненный частицами композиционный материал с высокой степенью равномерности распределения частиц по объему материала и большой эффективностью введения частиц в расплав, выражающейся в малой разнице между значениями долей вводимых первоначально в металл частиц и частиц, реально присутствующих в объеме композиционного материала после выполнения операции замешивания.