СПОСОБ ЛИТЬЯ РАСПЛАВА МЕТАЛЛА, ПОЛУЧЕННОГО ПЛАВЛЕНИЕМ ТВЕРДОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ ПОСРЕДСТВОМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
METHOD OF CASTING OF MELT OF METAL OBTAINED BY MELTING SOLID METAL STEM BY MEANS OF INDUCTION HEATING

Способ используется для порционного или непрерывного получения расплавов различных металлов. При порционном получении способ может использоваться в различного рода процессах литья с использованием литейных форм. Способ, также, после согласования скоростей подачи твердого стержня и мощности индукционного нагревателя, может использоваться для непрерывного литья полученного расплава металла с одновременной непрерывной подачей металлического стержня в зону нагрева. В этом случае, он может быть применен в процессах печати трехмерных объектов (3D печати).
В настоящее время известно несколько способов литья металлов, в которых расплавленный металл подается в литейную форму под давлением.
1. Центробежное литье (источник: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ, Москва, ОНИКС 21 век, Центр общечеловеческих ценностей, 2005, УДК 73/76, ББК 37.27, Л55 Ссылка в сети Интернет: http://jtech.com.ua/article/view/id/482)
При этом способе литья расплавленный металл получают отдельно в плавильной печи, а затем помещают его в расплавленном виде, залитым в чашу, в литейное устройство. Для осуществления процесса литья в чаше создают избыточное давление, которое создается центробежной силой при раскручивании литейного механизма. Под действием центробежной силы металл подымается до уровня отверстия чаши и поступает в полость формы для литья.
Недостатками этого способа является неудобство перемещения расплава металла между плавильной печью и литейным механизмом, а также принцип создания давления за счет центробежной силы. Как известно, центробежная сила прямо пропорциональна угловой скорости вращения и радиусу вращения, поэтому для создания значительных давлений приходится либо увеличивать габариты устройства, либо увеличивать скорость вращения (а, значит, увеличивать мощность двигателя, создающего вращение, и улучшать балансировку механизма вращения). Увеличить габариты часто невозможно, а увеличить скорость - сложно.
2. Вакуумное литье (источник: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ, Москва, ОНИКС 21 век, Центр общечеловеческих ценностей, 2005, УДК 73/76, ББК 37.27, Л55 Ссылка в сети Интернет: http://jtech.com.ua/article/view/id/482)
Способ вакуумного литья основан на удалении воздуха из литейной формы через дно и боковые отверстия опоки во время заливки. Давление воздуха в опоке понижается до 100-300 мм рт.ст. и за счет разности атмосферного давления, которое давит на зеркало залитого металла, и разрежения в полости формы обеспечивается качественное воспроизведение отливками рельефа формы.
Недостатком метода является предел величины максимального давления, оказываемого на расплавленный металл, которое ограничено атмосферным давлением.
3. Литье под давлением
(источник: СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЛИТЬЯ A.M. Зборщик Донецкий национальный технический университет
УДК 621.74 (075.8)
Конспект лекций по дисциплине «Специальные методы литья» / Авт. Зборщик A.M. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2007. - 158 с.
Ссылка в сети Интернет:
http://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/41/razdel41.php)
Этот способ предполагает получение расплава металла в печи или камере плавления и последующую подачу уже расплавленного металла в устройство(камеру прессования), создающее избыточное давление для литья. При этом, избыточное давление создается поршнем, который представляет из себя отдельный узел литейной машины. При перемещении поршня, он давит на расплавленный металл и металл выдавливается в литейную форму.
Недостатком этого способа является либо неудобство транспортировки расплавленного металла из плавильной печи в литейную установку- если эти устройства разделены, - либо избыточный расход энергии на поддержание металла в расплавленном состоянии в камере плавления, откуда он всасывается в камеру прессования - если камера плавления (печь) и камера прессования находятся внутри одного механизма. Также, разделение камеры плавления и камеры прессования и исполнение поршня камеры прессования в виде отдельного элемента литейной машины, усложняет конструкцию литейного механизма. Этот способ принят за ближайший аналог.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
Твердый металлический стержень 1 подается в канал 2 (Фиг. 1), который до момента подачи в него стержня пуст. По мере подачи стержня в зону нагрева II, которая является камерой плавления, с направлением подачи I → II, стержень попадает под действие индукционных токов, возбуждаемых в стержне индукционной катушкой 4. Под действием индукционных токов стержень плавится, превращаясь в расплав 5. При этом, в зоне I стержень 1 остается твердым, так как не подвергается действию индукционных токов. Полученный расплав 5 поступает в зону выдавливания 6, откуда может быть выдавлен в любом направлении; при этом, необходимое для выдавливания избыточное давление будет создано твердой частью стержня 1, если к нему будет приложено усилие в направлении I → II. В этом случае, твердая часть стержня 1 на границе зон I и II исполнит роль поршня. Таким образом, зона II, являясь камерой плавления, является также и камерой прессования. Величина создаваемого давления будет зависеть от зазора III между стенкой канала 2 и стенкой стержня 1. Чем меньше будет этот зазор, тем большее давление сможет создать металлический стержень (поршень) 1. Это давление ограничивается силой поверхностного натяжения расплавленного металла в зазоре III, препятствующей протеканию металла между стенкой канала 2 и стержня 1, которая, согласно формуле Лапласа, обратно пропорциональна величине этого зазора. Необходимо отметить, что предлагаемый метод может обеспечить непрерывное получение расплава металла, если согласовать скорость подачи стержня 1 в зону нагрева II и скорость расплавления металла индукционным нагревателем. Если металл подаваемого стержня будет плавиться со скоростью подачи, то процесс образования расплава станет непрерывным. Описанная возможность может быть использована при применении метода в устройствах печати объемных моделей (3D печати).
Надо отметить, что металлы, не являющиеся ферромагнетиками, нагреваются индукционными токами достаточно слабо. В этом случае для получения расплава может быть применена модификация описанного выше метода, когда металл плавится в зоне II не непосредственно под действием индукционных токов, а от воздействия нагретого неметаллического (или металлического, сделанного из ферромагнетика) проводника 7 (Фиг. 2), который помещается внутрь диэлектрика 3 и нагревается от воздействия индукционных токов интенсивнее, чем металл, не являющийся ферромагнетиком. В качестве такого неметаллического проводника может быть использован, например, графит, а, в случае вставки из ферромагнетика, сталь. При этом, материал, из которого изготовлен проводник 7 должен иметь температуру плавления выше, чем нагреваемый им металл стержня 1.
Применением описанного способа достигается эффект уменьшения сложности литейной машины, а, значит, уменьшения ее цены и увеличения безопасности применения в производственных и бытовых процессах. Также, применение способа позволяет простыми методами добиться непрерывного литья расплава металла, что может быть применено в процессах аддитивного производства (3D печати).