СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКО-ТВЕРДОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING LIQUID-SOLID METAL COMPOSITION

Данное изобретение относится к способу производства жидко-твердой металлической композиции, включающему стадии загрузки в сосуд расплавленного металла или сплава, загрузки в сосуд твердого металла или сплава и перемешивания расплавленного металла или сплава при его охлаждении.
Изобретение также относится к устройству для реализации способа в соответствии с изобретением.
Композицию из расплавленного металла или сплава можно образовывать из широкого спектра металлов или сплавов, однако, в частности, из таких, которые при застывании из жидкого состояния без перемешивания имеют тенденцию к образованию структур дендритной или фасеточной морфологии роста.
Следует понимать, что расплавленный металл или сплав не обязательно находится в жидком состоянии при загрузке в сосуд. Его можно также загружать в твердом состоянии и впоследствии расплавлять до достижения жидкого или в основном жидкого состояния. В этом случае после создания расплавленной фазы в сосуд загружают твердый металл или сплав.
Следует также понимать, что в основном порядок загрузки в сосуд расплавленного металла или сплава и твердого металла или сплава не является обязательным.
Хорошо известно, что элементы, выполненные из полутвердых материалов, имеют большие преимущества перед соответствующими элементами, произведенными в соответствии со стандартными способами. Термин «полутвердый» означает расплав, содержащий некоторое массовое количество твердых частиц, образованных при охлаждении расплава. Преимущества литых элементов, полученных при литье такого материала, могут заключаться в меньшем количестве дефектов, улучшенных механических свойствах и т.д.
Производство металлических элементов на основе полутвердого материала обычно включает нагревание металла или сплава в сосуде до превращения его в жидкость, с последующим охлаждением расплавленного материала до достижения им полутвердого состояния. После достижения полутвердого состояния материал обычно можно отливать в литейную форму или в устройство непрерывной разливки для образования продукта или полуфабриката.
По мере застывания многие металлы и сплавы склонны образовывать так называемые дендритные структуры. Однако поскольку эти структуры оказывают отрицательное влияние на тиксотропные свойства полутвердого материала, их следует по возможности избегать. В соответствии с последним известным уровнем техники, например, описанным в патенте США №6 645 323, образования дендритных структур при охлаждении и затвердевании можно избежать путем перемешивания расплава.
В соответствии с патентом США №6 645 323 жидкий расплавленный металл быстро охлаждают в регулируемых условиях при перемешивании вращающимися механическими устройствами для образования желаемой тиксотропной суспензии. Также возможны другие способы организации перемешивания, например, с помощью устройства для электромагнитного перемешивания. Перемешивание продолжается до определенного момента, пока в расплаве не сформируется заранее определенная малая доля твердого материала. После этого охлаждение продолжают без перемешивания. Когда доля твердого металла в суспензии достигнет заданного уровня, эту суспензию используют в операции литья.
Однако существующий способ требует внешнего охлаждения расплава при помощи средств охлаждения вне сосуда или средств охлаждения, обеспечиваемых в расплаве, например, внутри мешалки. Таким образом, для регулирования содержания доли твердого материала существующий способ требует регулирования охлаждения, включая регулирование температуры. Это делает способы известного уровня техники относительно медленными и дорогостоящими.
Известный уровень техники также предполагает добавление твердого металла или сплава к расплаву, либо в качестве затравки для стимуляции зародышеобразования, либо в качестве легирующего средства.
В WO 2004027101 описан способ очистки первичного кремния в заэвтектических сплавах путем смешивания заэвтектического сплава и твердого/полутвердого доэвтектического сплава. Способ обеспечивает регулирование морфологии, размера и распределения первичного Si в заэвтектической отливке Al-Si путем смешивания доэвтектической жидкости Al-Si с заэвтектической жидкостью Al-Si и позволяет добиться желаемых механических свойств за счет формирования частиц первичного Si. В соответствии с известным уровнем техники способ также требует регулирования охлаждения смеси заэвтектического и доэвтектического сплава в течение определенного времени для получения полутвердого металла. Обычно равномерное распределение частиц первичного Si регулируют путем более быстрого понижения температуры в ходе смешивания. Перемешивать расплав при охлаждении не рекомендуется.
В соответствии с патентом США №6 880 613 описан способ очистки первичного алюминия в доэвтектических сплавах путем смешивания по меньшей мере двух доэвтектических сплавов для получения твердой/полутвердой доэвтектической суспензии. Способ обеспечивает регулирование морфологии, размера и распределения первичного Al в доэвтектической отливке Al-Si путем смешивания доэвтектической жидкости Al-Si с твердыми доэвтектическими частицами Al-Si для получения желаемых механических свойств. В одном из вариантов реализации этого известного уровня техники небольшие твердые куски доэвтектического сплава Al-Si использовали для смешивания с жидким доэвтектическим сплавом Al-Si для образования доэвтектической суспензии Al-Si. В общем равномерное распределение частиц первичного Al регулировали путем более быстрого понижения температуры в ходе смешивания. Перемешивать расплав при охлаждении не рекомендуется.
Основная цель изобретения состоит в предоставлении способа быстрого формирования жидко-твердой композиции, где твердые частицы гомогенно распределены в объеме жидко-твердого металлического сплава. Жидко-твердому металлу следует придать такие свойства, чтобы исключалось какое-либо образование твердого дендритного каркаса при его дальнейшем охлаждении и при отсутствии дополнительного перемешивания.
Также целью данного изобретения является предоставление способа получения жидко-твердой металлической композиции, который уменьшает или даже устраняет необходимость внешнего охлаждения расплавленного металла или сплава, однако по-прежнему приводит к быстрому образованию жидко-твердой суспензии, которую можно использовать, например, для последующего литья с получением продукта или полуфабриката. Изобретение также уменьшает необходимость регулирования температуры расплава в ходе получения жидко-твердой суспензии.
Также целью данного изобретения является предоставление способа быстрого образования жидко-твердой металлической композиции из новых сочетаний по составу жидких металлов или сплавов и твердых металлов или сплавов.
Также целью изобретения является предоставление простого в реализации и экономичного способа.
Цели изобретения достигают посредством изначально определенного способа, отличающегося тем, что количество твердого металла или сплава выбирают таким образом, что существенное количество твердых частиц образуется в смеси за счет энтальпийного обмена между твердым металлом или сплавом и расплавленным металлом или сплавом, причем по меньшей мере часть добавленного твердого металла или сплава расплавляется за счет тепла, передаваемого ему расплавленным металлом или сплавом. Другими словами, изобретение предлагает использовать внутреннее охлаждение вместо внешнего. Для изобретения важно, чтобы количество добавляемого твердого металла или сплава было таким, чтобы можно было прийти к выводу о том, что оно приведет к затвердеванию определенной доли расплавленного металла, и что это затвердевание можно непосредственно получить добавлением твердого металла или сплава. Другими словами, количество твердого металла или сплава должно быть таким, чтобы в результате энтальпийного обмена между твердым металлом или сплавом и расплавленным металлом или сплавом начиналось затвердевание расплавленного металла или сплава и образовывалась жидко-твердая суспензия. Таким образом, загружаемый твердый металл или сплав должен иметь более низкую температуру, чем расплавленный металл или сплав и, предпочтительно комнатную температуру. Он может, хотя это не необходимо, иметь такой же состав, как и расплавленный металл или сплав. Возможно, смешивание осуществляют в более чем одну стадию или последовательность стадий. Твердый металл или сплав должен быть растворим в расплаве, т.е. расплавленном металле или сплаве. Другими словами, при смешивании он может полностью или частично расплавляться и диспергироваться в расплаве. Предпочтительно, чтобы смешивание и перемешивание выполняли одновременно, и расплав перемешивали по мере добавления твердого металла или сплава и в ходе энтальпийного обмена.
Важный аспект изобретения состоит в том, что зародышеобразование и начальное затвердевание в расплаве обусловлены добавлением твердого металла или сплава, и в основном, не внешним охлаждением. Однако это не отменяет возможности использования внешнего охлаждения в качестве дополнительного способа охлаждения.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения количество твердого металла или сплава выбирают так, что количество твердых частиц, образующихся в результате указанного энтальпийного обмена, составляет по меньшей мере 1 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 5 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере 10 мас.%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 15 мас.% или даже лучше по меньшей мере 20 мас.%. Важно, чтобы количество или доля твердых частиц и их распределение в расплаве были такими, чтобы гарантировать подавление образования дендритного каркаса при дальнейшем охлаждении и затвердевании расплава. Следует отметить, что после начального образования твердых частиц, которое является прямым результатом затвердевания при перемешивании, и при патентоспособном добавлении твердого металла или сплава при дальнейшем охлаждении суспензии будет происходить дальнейший рост твердых частиц за счет укрупнения, без значительного образования дендритов, даже при отсутствии дальнейшего перемешивания суспензии.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации количество твердого металла или сплава выбирают таким образом, чтобы количество твердых частиц, образующихся за счет указанного энтальпийного обмена, составляло не более 65 мас.%, предпочтительно не более 50 мас.%, и наиболее предпочтительно не более 30 мас.%. Более высокое содержание твердой фракции затруднит деформацию суспензии и ее использование в любых последующих процессах, например, при литье.
В соответствии с одним из вариантов реализации твердый металл или сплав загружают сосуд в виде по меньшей мере одного отдельного куска. Твердый металл или сплав можно загружать поэтапно, даже с использованием различных металлических композиций на каждом из этапов. Жидкий металл или сплав, загружаемый в сосуд, также можно загружать поэтапно, даже с использованием различных металлических композиций на каждом из этапов.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации перемешивание выполняют с помощью механической мешалки или нескольких механических мешалок и твердый металл или сплав, загружаемый в сосуд, прикрепляют к мешалке или по меньшей мере к одной из мешалок. Твердый металл или сплав может, например, образовывать один или несколько кусков, прикрепленных к мешалке сваркой или иным способом. Твердый металл или сплав можно также, например, непрерывно или поэтапно подавать в расплав через или из мешалки/мешалок через каналы или аналогичные средства, проходящие через мешалку. Сама мешалка может быть выполнена из материала, имеющего существенно более высокую температуру плавления, чем температура плавления жидкого металла или сплава, чтобы она не расплавилась из-за тепла, получаемого от расплава. Твердый металл или сплав предпочтительно может быть рабочей деталью мешалки, таким образом реально способствуя эффекту перемешивания, не говоря о его функции в энтальпийном обмене. Возможно, мешалка целиком может быть выполнена из твердого металла или сплава, который расплавится в ходе энтальпийного обмена в соответствии с изобретением. Предпочтительно выполнять перемешивание механической мешалкой. Однако перемешивание можно также выполнять с помощью электромагнитной мешалки или сочетания механической мешалки и электромагнитной мешалки. Это возможно, например, в случае, когда твердый металл или сплав непрерывно подают в расплав через или из мешалки/мешалок при приготовлении суспензии.
В соответствии с изобретением доэвтектическую полутвердую металлическую суспензию можно получить путем смешивания жидкого доэвтектического металлического сплава с эвтектическим или заэвтектическим твердым металлическим сплавом из той же системы сплавов, регулируя количества и начальные температуры загружаемых жидких и твердых металлов или сплавов. Примером может быть добавление заэвтектического сплава Al-Si (например, 13% Si) к доэвтектическому сплаву Al-Si (например, 5% Si) с образованием доэвтектической суспензии Al-Si. Чтобы добиться равномерного распределения твердых частиц в суспензии, необходимо использовать перемешивание. Заэвтектическую полутвердую металлическую суспензию можно получить путем смешивания жидкого заэвтектического сплава с эвтектическим или заэвтектическим твердым сплавом из той же системы сплавов, регулируя количества и начальные температуры загружаемых жидких и твердых металлов или сплавов. Примером может быть добавление заэвтектического сплава Al-Si (например, 13% Si) к заэвтектическому сплаву Al-Si (например, 20% Si) с образованием заэвтектической суспензии Al-Si. Чтобы добиться равномерного распределения твердых частиц в суспензии, необходимо также использовать перемешивание. Полутвердую металлическую суспензию также можно получить путем смешивания жидкого металла или сплава с твердым металлом или сплавом из различных систем сплавов, регулируя количества и начальные температуры загружаемых жидких и твердых металлов или сплавов. Примером может быть добавление твердого сплава Mg-Zn (например, 7% Zn) в жидкий сплав Mg-Al (например, 9% Al) с образованием суспензии Mg-Al-Zn. Чтобы добиться равномерного распределения твердых частиц в суспензии, необходимо использовать перемешивание.
Изобретение также относится к устройству для реализации способа в соответствии с изобретением, отличающемуся тем, что оно содержит сосуд и мешалку, и что твердый металл или сплав прикреплен к мешалке.
Изобретение также относится к устройству для реализации способа в соответствии с изобретением, отличающемуся тем, что оно содержит сосуд и по меньшей мере одну мешалку, и эта по меньшей мере одна мешалка снабжена каналом для подачи через него твердого металла или сплава в расплавленный металл или сплав.
Дополнительные признаки и преимущества данного изобретения будут представлены в следующем подробном описании изобретения, а также в прилагаемых зависимых пунктах формулы изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта способа и устройства в соответствии с изобретением будет приведено далее со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая способ в соответствии с изобретением.
На фиг.2 приведена микрофотография металлической композиции по Примеру 1, содержащей первичные твердые частицы, образовавшиеся при смешении, и вторичную твердую фазу, образовавшуюся при быстром охлаждении после перемешивания.
На фиг.3 приведена микрофотография металлической композиции по Примеру 2, содержащей первичные твердые частицы, образовавшиеся при смешении, и вторичную твердую фазу, образовавшуюся при быстром охлаждении после перемешивания.
На фиг.4 приведена микрофотография металлической композиции по Примеру 3, содержащей первичные твердые частицы, образовавшиеся при смешении, и вторичную твердую фазу, образовавшуюся при быстром охлаждении после перемешивания.
На фиг.1 показаны три отдельных стадии по предпочтительному варианту способа в соответствии с изобретением. На стадии 1 показана плавильная печь 1 и разливочное устройство 2, которое образует сосуд в соответствии с изобретением. Расплав 3 расплавленного металла или сплава образуется в печи 1 и затем его выливают в разливочное устройство 2. Стенка разливочного устройства 2 включает теплоизолирующий материал или покрыта им.
На стадии 2 показана следующая стадия способа в соответствии с изобретением, а также предпочтительный вариант реализации устройства в соответствии с изобретением. На стадии 2 показано разливочное устройство, или сосуд 2 стадии 1. Разливочное устройство 2 снабжено крышкой 4, а механическая мешалка 5 проходит через крышку 4 и погружена в расплав 3.
К мешалке 5 прикреплен по меньшей мере один кусок твердого металла или сплава 6. Твердый металл или сплав 6 растворим в расплаве 3, т.е. он полностью или частично расплавляется за счет тепла расплава и распределяется в расплаве 3. Твердый металл или сплав 6 также может быть металлическим композитом, то есть содержать в матрице металла некоторое количество неметаллических частиц. С другой стороны, пониженная температура твердого металла или сплава 6 приведет к энтальпийному обмену с расплавленным металлом или сплавом 3 и к зародышеобразованию в расплаве 3. Предполагается, что зародышеобразование происходит на внешней поверхности или вблизи внешней поверхности куска твердого металла или сплава 6. Однако благодаря вращению мешалки 5, эти образовавшиеся зародыши 7 кристаллизации отрываются от поверхности куска твердого металла или сплава 6 и относительно равномерно распределяются в расплаве, образуя таким образом в основном однородную суспензию. Перемешивание также увеличивает скорость теплообмена между загруженными жидким и твердым металлами или сплавами, таким образом позволяя получить большее количество суспензии за короткое время.
На стадии 3 показано, что мешалка 5 извлечена из расплава 3, который теперь представляет собой жидко-твердую металлическую композицию или полутвердую суспензию 8, содержащую как расплавленную фазу, так и твердые частицы 7.
Количество твердых частиц 7, образовавшихся в расплаве в ходе энтальпийного обмена между загруженным расплавленным металлом или сплавом 3 и загруженным твердым металлом или сплавом 6, является достаточно большим, чтобы по существу предотвратить рост дендритной структуры в жидко-твердой металлической композиции 8 при дальнейшем охлаждении на любой последующей стадии производства, например, при операции литья.
Долю твердых частиц суспензии 8 можно регулировать путем подбора составов, начальных температур загружаемого жидкого и твердого металла или сплава, а также массовых соотношений между загружаемыми жидким и твердым металлами или сплавами. Во многих случаях желательно поддерживать долю твердых частиц в суспензии 8 в диапазоне от 20 до 30%. При такой доле твердых частиц суспензия 8 уже содержит достаточное количество твердых частиц или зерен, чтобы предотвратить какой-либо рост дендритов, но еще имеет достаточную текучесть для переливания из разливочного устройства 2 в устройство для литья. После этого суспензию 8 можно разливать в устройство непрерывного литья (не показано) для производства заготовок. Суспензию 8 можно также использовать для любых других видов операций литья, например, для так называемого реолитья или литья полутвердой ленты.
Следующие не ограничивающие примеры иллюстрируют данное изобретение.
Пример 1
Суспензию исходного сплава Al-7%Si получали путем смешивания расплава с твердым материалом другого состава.
Ниже приведено подробное описание способа получения суспензии сплава Al-Si, содержащего около 7 массовых процентов Si с вырожденными дендритными структурами в соответствии с фиг.2.
2013 г сплава Al-Si, содержащего около 6,5 массовых процентов Si, расплавили в обмазанном глиной графитовом тигле в электропечи сопротивления. Тигель имел высоту приблизительно 165 мм, внутренний диаметр 110 мм и толщину стенок 15 мм. Когда сплав Al-6,5%Si полностью расплавился и достиг 630°С, приблизительно на 10°С выше температуры его перехода в жидкое состояние, питание печи отключили. 197 г твердого сплава Al-Si, содержащего около 12 массовых процентов Si, прикрепили к механической мешалке из нержавеющей стали. Сплав Al-12%Si, прикрепленный к мешалке (как сплав, так и мешалка изначально имели комнатную температуру), погрузили в расплав. Перемешивание производили в течение 37 секунд. Сплав Al-12%Si, более не прикрепленный к мешалке, однородно распределился в исходном расплаве. После этого мешалку извлекли из расплава. Таким образом был получен новый сплав Al-Si, содержащий около 7 массовых процентов Si. В основном в результате энтальпийного обмена между жидкостью и добавленным твердым материалом конечная температура сплава Al-7%Si после перемешивания составила 593°С. Небольшое количество суспензии извлекли из тигля и закалили в холодной воде. Полученная микроструктура показана на фиг.2.
Пример 2
Суспензию сплава Mg-9%Al получали путем смешивания расплава с твердым материалом аналогичного состава.
Ниже приведено подробное описание способа получения суспензии сплава Mg-Al, содержащего приблизительно 9 массовых процентов Al с вырожденными дендритными структурами в соответствии с фиг.3.
101 г исходного сплава Mg-Al, содержащего 9 массовых процентов Al, расплавили в стальном тигле в электропечи сопротивления. Тигель имел высоту приблизительно 150 мм, внутренний диаметр 30 мм и толщину стенок 1,5 мм. Когда сплав Mg-9%Al полностью расплавился и достиг 605°С, приблизительно на 10°С выше температуры его перехода в жидкое состояние, питание печи отключили. 15 г сплава Mg-Al в твердом состоянии, содержащего 9 массовых процентов Al, комнатной температуры добавили в три приема и перемешивали после каждого добавления вручную тонким стальным стержнем. Общее время перемешивания составило около 2 минут. В основном в результате энтальпийного обмена между жидкостью и добавленным твердым материалом конечная температура сплава Mg-9%Al после перемешивания составляла 576°С. Небольшое количество суспензии извлекли из тигля и закалили в холодной воде. Полученная микроструктура показана на фиг.3.
Пример 3
Суспензию сплава Al-20%Si (также содержащего небольшое количество Mg) получали путем смешивания расплава с твердым материалом другой системы сплавов.
Ниже приведено подробное описание способа получения суспензии сплава Al-Si, содержащего около 20 массовых процентов Si и небольшое количество Mg с недендритными первичными частицами кремния в соответствии с фиг.3.
1913 г исходного сплава Al-Si, содержащего приблизительно 21 массовый процент Si, расплавили в обмазанном глиной графитовом тигле в электропечи сопротивления. Тигель имел высоту приблизительно 165 мм, внутренний диаметр 110 мм и толщину стенок 15 мм. Когда сплав Al-21%Si полностью расплавился и достиг 721°С, питание печи отключили. Кусок массой 101 г сплава Al-Mg в твердом состоянии, содержащего около 1 массового процента Mg, прикрепили к механической мешалке из нержавеющей стали. Кусок сплава Al-1Mg, прикрепленный к мешалке (как сплав, так и мешалка изначально имели комнатную температуру), погрузили в расплав. Перемешивание производили в течение 27 секунд. Кусок сплава Al-1Mg, не прикрепленный более к мешалке, однородно распределился в исходном расплаве. После этого мешалку извлекли из расплава. Таким образом, был получен новый сплав Al-Si, содержащий около 20 массовых процентов Si и небольшое количество Mg. В основном в результате энтальпийного обмена между жидкостью и добавленным твердым материалом конечная температура суспензии сплава А1-20%Si после перемешивания составила приблизительно 630°С. Небольшое количество суспензии извлекли из тигля и закалили в холодной воде. Полученная микроструктура показана на фиг.4.
Следует понимать, что другие альтернативные варианты реализации изобретения будут очевидны специалисту в данной области техники. Однако объем настоящего изобретения не ограничивается конкретным описанным здесь вариантом реализации и определяется только приложенными пунктами формулы изобретения.
Например, следует понимать, что для получаемого результата по способу согласно изобретению значение имеет не только количество твердого металла или сплава, смешиваемого с расплавленным металлом или сплавом, но и начальная температура твердого металла или сплава и расплавленного металла или сплава, а также время перемешивания, время выдержки и т.п. Обычно для того, чтобы обеспечить эффективное зародышеобразование, начальная температура расплавленного металла или сплава должна немного превышать температуру его перехода в жидкое состояние, в то время как начальная температура твердого металла или сплава должна быть близка к комнатной температуре. Кроме того, время проведения процесса также может повлиять на итоговое содержание и форму твердых частиц суспензии за счет диффузионных процессов при приближении системы к термодинамическому равновесию.