Способ и устройство для получения литых алюмоматричных композиционных материалов

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Изобретение относится к металлургии, в частности, к способам и устройствам для получения композиционных материалов с низким удельным весом и высокими физико-механическими свойствами, которые могут быть использованы при выпуске продукции специального назначения в машино-, приборостроении и других областях техники
Предлагается способ получения литых композиционных материалов на основе алюминия, включающий расплавление матричного сплава, введение дисперсной армирующей фазы, центробежное перемешивание расплава импеллером, последующую разливку и кристаллизацию. Загрузку дисперсной армирующей фазы проводят постепенно в камеру смешивания матричного сплава с армирующей фазой, затопленную в матичном расплаве. Центробежное перемешивание расплава осуществляют импеллером в камере смешивания с одновременной циркуляцией содержимого камеры через отверстия в ней в матричный расплав, а матричного расплава - в камеру до достижения однородности композиционного материала как внутри, так и снаружи камеры смешивания, при этом перемешивание осуществляют при температуре на 150 0 С выше линии ликвидуса.
Устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия содержит печь с установленным в ней графитовым тиглем, перемешивающее устройство в виде импеллера, соединенное посредством вала с электродвигателем, выполненные из молибдена или вольфрама, с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Устройство содержит камеру смешивания матричного сплава с дисперсной армирующей фазой, выполненную из нитрида кремния, и размещенную внутри тигля с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Камера в верхней части снабжена отверстием, соединяющим полость камеры с тиглем, в нижней части камера снабжена дополнительными отверстиями в количестве > 6, выполненными с возможностью регулирования их зазора, импеллер расположен внутри камеры смешивания. Устройство также содержит резервуар для дискретного материала, соединенный с камерой смешивания трубопроводом, снабженным заглушкой резервуара, на валу импеллера размещены два графитовых подшипника скольжения, один из которых расположен в донной части камеры, а другой, выполняющий роль крышки камеры смешивания, на уровне отверстия, соединяющего полость камеры с тиглем.
Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление способа и устройства за счет исключения необходимости создания вакуума и инертной атмосферы и сокращения времени проведения технологического процесса, а также повышение качества композиционных материалов и расширение арсенала способов и устройств для получения качественных литых композиционных материалов на основе алюминия. Вышесказанное позволяет использовать предлагаемое устройство на стандартных действующих плавильных печах
2

Текст

Смотреть все

(51) 22 1/10 (2006.01) 22 21/00 2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия содержит печь с установленным в ней графитовым тиглем, перемешивающее устройство в виде импеллера, соединенное посредством вала с электродвигателем, выполненные из молибдена или вольфрама, с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Устройство содержит камеру смешивания матричного сплава с дисперсной армирующей фазой, выполненную из нитрида кремния, и размещенную внутри тигля с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Камера в верхней части снабжена отверстием, соединяющим полость камеры с тиглем,в нижней части камера снабжена дополнительными отверстиями в количестве 6, выполненными с возможностью регулирования их зазора, импеллер расположен внутри камеры смешивания. Устройство также содержит резервуар для дискретного материала, соединенный с камерой смешивания трубопроводом,снабженным заглушкой резервуара, на валу импеллера размещены два графитовых подшипника скольжения, один из которых расположен в донной части камеры, а другой, выполняющий роль крышки камеры смешивания, на уровне отверстия,соединяющего полость камеры с тиглем. Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление способа и устройства за счет исключения необходимости создания вакуума и инертной атмосферы и сокращения времени проведения технологического процесса, а также повышение качества композиционных материалов и расширение арсенала способов и устройств для получения качественных литых композиционных материалов на основе алюминия. Вышесказанное позволяет использовать предлагаемое устройство на стандартных действующих плавильных печах.(72) Паничкин Александр Владимирович Мамаева Аксауле Алиповна Кшибекова Балжан Булатовна(73) Акционерное общество Центр наук о земле,металлургии и обогащения(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к металлургии, в частности, к способам и устройствам для получения композиционных материалов с низким удельным весом и высокими физико-механическими свойствами, которые могут быть использованы при выпуске продукции специального назначения в машино-, приборостроении и других областях техники Предлагается способ получения литых композиционных материалов на основе алюминия,включающий расплавление матричного сплава,введение дисперсной армирующей фазы,центробежное перемешивание расплава импеллером,последующую разливку и кристаллизацию. Загрузку дисперсной армирующей фазы проводят постепенно в камеру смешивания матричного сплава с армирующей фазой,затопленную в матичном расплаве. Центробежное перемешивание расплава осуществляют импеллером в камере смешивания с одновременной циркуляцией содержимого камеры через отверстия в ней в матричный расплав, а матричного расплава - в камеру до достижения однородности композиционного материала как внутри, так и снаружи камеры смешивания,при этом перемешивание осуществляют при температуре на 1500 С выше линии ликвидуса. Изобретение относится к области металлургии, в частности, к способам и устройствам для получения композиционных материалов с низким удельным весом и высокими физико-механическими свойствами. Такие материалы могут быть использованы при выпуске продукции специального назначения в машино-, приборостроении и других областях техники. Известны способы и устройства для получения композиционных материалов на основе алюминия и его сплавов методом литьевой технологии,заключающиеся в механическом замешивании в матричный расплав нерастворимых в нем твердых частиц с помощью различных видов мешалок,посредством пылегазовой струи и др., последующем перемешивании расплава,его разливки и кристаллизации под давлением. Недостатком известных способов и устройств является невысокое качество получаемых композитов, причиной чего является неравномерное распределение нерастворимых твердых частиц в композиционном материале. (Т.А. Чернышева, Л.И. Кобелева,П.Шебо,А.В. Панфилов Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями. М. Наука, 1993, с.272). Известен способ и устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия (Патент РФ 2186867, Кл. С 22 С 1/10,С 22 С 21/00, 10.08.2002). Известный способ включает расплавление матричного сплава с перегревом на 100-150 С выше температуры его плавления, введение во вращающийся расплав дисперсной армирующей фазы с помощью центробежной силы, последующее перемешивание расплава, его рафинирование от газовой фазы,разливку и кристаллизацию под давлением. Способ осуществляют в устройстве, включающем печь с установленным в ней вращающимся тиглем, дозатор дисперсного материала,перемешивающее устройство,выполненное с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. На валу перемешивающего устройства установлены пропеллер и импеллер в виде плоского диска,изготовленного из титана с азотированной поверхностью. На поверхность вращающегося диска подают порошковый материал - армирующий наполнитель. Недостатком известного способа и устройства является недостаточно высокое качество получаемых композитов из-за высокой степени неравномерности распределения частиц в композите(от 12 до 35), а также окисление и газонасыщение расплава в процессе перемешивания и, как следствие,необходимость рафинирования получаемого композиционного материала от газовых включений (примесей). Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является способ получения литых композиционных материалов на основе алюминия и устройство для его осуществления (Инновационный патент РК 23508, кл. С 22 С 1/10, С 22 С 21/00. Бюлл.12, 15.12.2010),выбранный в качестве прототипа. Способ по прототипу включает расплавление матричного сплава,введение дисперсной армирующей фазы, перемешивание расплава,последующую разливку и кристаллизацию, при этом загрузку матричного сплава и дисперсной фазы проводят одновременно,плавление и перемешивание расплава осуществляют в вакууме при разряжении не менее 10 мм рт.ст., а после окончания перемешивания в системе создают атмосфер у инертного газа. Условия проведения процесса обеспечивают некоторое повышение усвояемости дисперсной фазы и снижение неравномерности ее распределения. Так, в матричном сплаве А 1-10 степень замешивания составляет 95-100, а степень неравномерности распределения дисперсной фазы (О 3) в композите - 12-20. В матричном сплаве А 1-12 степень замешивания составляет 85-98, а степень неравномерности распределения дисперсной фазы 8-17. Известный способ получения литых композиционных материалов на основе алюминия осуществляют в устройстве, содержащем печь с установленным в ней тиглем, перемешивающее устройство с пропеллером(импеллером),выполненное с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. При этом печь и перемешивающее устройство размещены в герметичном корпусе с крышкой, корпус выполнен водоохлаждаемым, пространство внутри устройства разделено теплоизоляционным экраном на верхнюю низкотемпературную и нижнюю высокотемпературную зону, в которой размещена печь с тиглем. Верхняя часть перемешивающего устройства установлена в водоохлаждаемом алюминиевом стакане, а в качестве материала импеллера используют металлический молибден. Недостатками известного способа и устройства являются сложность технического оформления процесса и недостаточно высокое качество получаемых композитов из-за относительно высокой степени неравномерности распределения дисперсной фазы. Необходимость использования в известном способе и устройстве инертного газа и создания вакуума очень усложняют и удорожают технологию и делают ее неэффективной и трудно применимой в промышленных условиях. Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление способа и устройства за счет исключения необходимости создания вакуума и инертной атмосферы в технологическом процессе,сокращения времени поведения процесса. Все это позволяет использовать устройство на стандартных действующих плавильных печах. Кроме того достигается повышение качества композиционных материалов за счет снижения степени неравномерности распределения частиц дисперсного материала в композите. Известно, что даже небольшое снижение неравномерности распределения дисперсных частиц сказывается на 2 свойствах композиционных материалов, приводя к значительному повышению их качества. Предлагаемое изобретение также расширяет арсенал способов и устройств для получения качественных литых композиционных материалов на основе алюминия. Указанный технический результат достигается предлагаемым способом получения литых композиционных материалов на основе алюминия,включающим расплавление матричного сплава,введение дисперсной армирующей фазы,центробежное перемешивание расплава импеллером,последующую разливку и кристаллизацию. При этом загрузку армирующей фазы проводят постепенно в камеру смешивания матричного сплава с армирующей дисперсной фазой, затопленную в матричном расплаве. Центробежное перемешивание расплава осуществляют импеллером в камере смешивания с одновременной циркуляцией содержимого камеры,через отверстия в ней, в матричный расплав, а матричного расплава - в камеру, до достижения однородности композиционного материала как внутри, так и снаружи камеры смешения, при этом перемешивание осуществляют при температуре на 150 С выше линии ликвидуса и скорости вращения импеллера 2-7 тыс. оборотов в минуту. Технический результат достигается также и предлагаемым устройством для получения литых композиционных материалов на основе алюминия,содержащим печь с установленным в ней графитовым тиглем, перемешивающее устройство в виде импеллера, соединенное посредством вала с электродвигателем, выполненные из молибдена или вольфрама, с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. При этом устройство дополнительно содержит камеру смешивания матричного сплава на основе алюминия с дискретной (дисперсной) армирующей фазой,выполненную из нитрида кремния и расположенную внутри тигля с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Камера в верхней части снабжена отверстием, соединяющим полость камеры с тиглем, а в нижней части дополнительными отверстиями в количестве 6,выполненными с возможностью регулирования их зазора. При этом импеллер расположен внутри камеры смешения, устройство также содержит резервуар для дискретного материала, соединенный с камерой смешивания трубопроводом, снабженным заглушкой резервуара. На валу импеллера размещены два графитовых подшипника скольжения, один из которых расположен в донной части камеры смешивания, а другой, выполняющий роль крышки камеры, на уровне отверстия,соединяющего камеру смешивания с тиглем. Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Способ предусматривает постепенную загрузку дисперсной фазы в расплав матричного сплава на основе алюминия при интенсивном перемешивании в камере,находящейся под поверхностью расплава, благодаря чему атмосферные газы соприкасаются только с поверхностью расплава и практически не попадают внутрь расплава. Кроме того, в процессе перемешивания происходит циркуляция всего расплава через камеру смешивания, погруженную в расплав. Это способствует более равномерному распределению дисперсной фазы в композиционном материале и достигается эффект дробления коагулирующих дисперсных порошков при циркуляции расплава через отверстия камеры смешивания. Устройство предусматривает осуществлять процесс перемешивания алюминиевого сплава с дискретной фазой в камере, снабженной отверстием в верхней части и более мелкими отверстиями в нижней части, размещенной под поверхностью алюминиевого расплава. В условиях интенсивного перемешивания расплава с постепенно поступающим в него дискретным наполнителем в камере (в области замешивания) создается высокое давление за счет нагнетания импеллером маточного алюминиевого расплава внутрь камеры через верхнее отверстие. В результате возникшего давления смесь расплава с дискретным материалом выдавливается из отверстий в корпусе камеры в объем тигля и в последующем вновь попадает в камеру смешивания. Таким образом, кроме интенсивного перемешивания в камере смешения(без контакта с атмосферой) происходит циркуляция расплавленной массы из тигля в камеру и из камеры- в тигель. Поскольку замешивание осуществляют под поверхностью расплава в камере, не образуется воронки и атмосферные газы,которые соприкасаются лишь с поверхностью расплава,практически не попадают в расплав. В результате исключается необходимость создания вакуума и инертной атмосферы в технологическом процессе,что значительно упрощает и удешевляет его согласно предлагаемому изобретению. В ходе замешивания обеспечивается как разряжение, так и избыточное давление в области контакта порошков дискретного наполнителя с расплавом на основе алюминия. Избыточное давление можно регулировать путем изменения размера зазора в верхней части и числа отверстий в нижней части камеры смешения. Кроме этого, при прохождении смеси через отверстия, которые являются по сути соплами,достигается эффект дробления коагулирующих порошков дискретного наполнителя, это способствует улучшению качества композиционного материала. Предложенное устройство можно использовать на стандартных плавильных печах. Совокупность отличительных признаков способа и устройства обеспечивает получение композиционных материалов высокого качества. На фиг.1 представлено схематическое изображение всего устройства для получения литых композиционных материалов на основе алюминия, а на фиг.2 отдельно в более крупном масштабе камера смешивания матричного сплава на основе алюминия с дисперсной армирующей фазой,обозначенная на фиг.1 номером 6. Устройство состоит из печи 1 с установленным в ней 3 графитовым тиглем 2 и перемешивающего устройства, выполненного в виде импеллера с крыльчаткой 3 и валом 4 (фиг.2), соединенным с электроприводом 5. Импеллер, крыльчатка и вал выполнены из инертных по отношению к алюминиевому расплаву материалов типа вольфрама или молибдена. Устройство также содержит камеру 6 для смешивания матричного сплава на основе алюминия с дисперсной армирующей фазой, погружаемую в расплав внутри тигля 2. Камера выполнена из нитрида кремния и в верхней части снабжена отверстием 7,соединяющим полости камеры 6 и тигля 2. В нижней части камера 6 снабжена отверстиями 8,выполненными с возможностью регулирования их зазора. Устройство также содержит резервуар для дискретного армирующего материала 9,снабженный заглушкой резервуара 11 и соединенный при помощи трубопровода 10 с камерой смешения 6. На валу импеллера размещены два графитовых подшипника скольжения 12, один из них расположен в донной части камеры смешивания 6, а другой, выполняющий роль крышки камеры 6, на уровне отверстия 7. Устройство эксплуатируют следующим образом. В графитовый тигель 2 загружают в твердом виде алюминий или его сплав, а наполнитель дисперсный армирующий порошок - в резервуар 9. Тигель 2 помещают в печь 1 при температуре печи на 100-400 С выше линии ликвидуса матричного алюминиевого сплава. После расплавления сплава в тигель 2 погружают камеру смешивания 6 вместе с импеллером 3, размещенном на валу 4, на глубину,при которой отверстие 7 находится ниже уровня расплава. При этом расплав через отверстия 7 и 8 заполняет полость камеры 6 до уровня верхнего графитового подшипника 12. После заполнения камеры 6 матричным расплавом резервуар 9 заполняется дискретными армирующими материалами и закрывается заглушкой 11 для подачи дискретного армирующего материала по трубопроводу 10 в камеру смешивания 6. Одновременно включают электродвигатель 5,соединенный с валом 4 перемешивающего устройства, приводящим в круговое движение импеллер с крыльчаткой 3. Скорость движения импеллера 3 регулируется изменением количества оборотов электропривода 5. При вращении импеллера 3 происходит перемешивание матричного расплава с дискретным армирующим материалом. Одновременно происходит нагнетание матричного расплава через отверстия 7 в камеру 6,приводящее к увеличению давления в нижней части этой камеры, в результате чего матричный расплав,смешанный с дискретным армирующим материалом, через отверстия 8 выталкивается в емкость тигля 2. Таким образом, возникает циркуляция расплава из тигля 2 в камеру 6, а из камеры снова в тигель. Благодаря такой циркуляции происходит дробление коагулирующих порошков дискретного наполнителя, что обеспечивает более равномерное распределение армирующего материала в расплаве. Перемешивание проводят в течение 5 минут до достижения однородности композиционного материала как внутри, так и снаружи камеры смешивания. Затем производят заливку композиционного материала в изложницу и последующую кристаллизацию. Предложенное устройство для получения композиционных материалов на основе алюминия периодического действия может быть использовано в конструкции установки непрерывного действия. Установка состоит из накопителя исходного матричного расплава и канала с каскадом предложенных устройств для замешивания дискретных наполнителей. Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение. Пример 1. В тигель загружают 1000 г металлического сплава, содержащего алюминий и 10 магния от веса алюминия и помещают в печь. В резервуар для дискретного армирующего материала загружают 200 г О 3 с размером частиц 10-100 мкм. Температура печи на 100 С выше температуры плавления алюминиевого сплава вышеуказанного состава. После расплавления в тигель опускают камеру смешивания, снабженную импеллером, ниже уровня матричного расплава. После заполнения камеры расплавом через имеющиеся в ней отверстия начинают перемешивание расплава и одновременную постепенную загрузку дискретного армирующего материала в камеру смешивания. Перемешивание ведут со скоростью 2-7 тыс. оборотов в минуту. При этом происходит не только центробежное перемешивание расплава с дискретным материалом,но и циркуляционное, происходящее между содержимым тигля и камеры. Через 5 минут перемешивание заканчивают. В течение этого времени достигается однородность смеси в тигле и в камере смешивания. Полученный композиционный материал заливают в изложницу и кристаллизуют. Степень замешивания дискретного материала и равномерность его распределения определяют методом микроанализа на металлографическом комплексе -2. Анализ показал, что степень замешивания составляет 100,а степень неравномерности распределения частиц дискретного материала в композите 10-17. Пример 2. Процесс проводят в условиях,аналогичных примеру 1, но в качестве исходного матричного сплава используют сплав алюминия с 12-ным содержанием кремния от веса алюминия, а температура печи на 200 С выше температуры плавления алюминиевого сплава вышеуказанного состава. Полученный в таких условиях композиционный материал анализируют как в примере 1. Степень замешивания полученного композиционного материала составляет 100,а степень неравномерности распределения частиц дискретного материала в композите 7-15. В таблице приведено сравнение данных,полученных при осуществлении процесса с использованием заявленных способа и устройства и по прототипу. 4 Таблица МатричМатериал Размер ный сплав дискретной частиц,фазы мкм Частота Время перемеперемешивания,шивания,С-1 мин По прототипу 10-100 150 8 10 Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют получать высококачественные литые алюмоматричные композиционные материалы и за счет упрощения могут быть эффективно использованы на действующих стандартных плавильных печах. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения литых композиционных материалов на основе алюминия, включающий расплавление матричного сплава,введение дисперсной армирующей фазы, перемешивание расплава импеллером, последующую разливку и кристаллизацию, отличающийся тем, что загрузку дисперсной армирующей фазы проводят постепенно в камеру смешения матричного сплава с армирующей фазой, затопленную в матричном расплаве, а центробежное перемешивание расплава импеллером проводят в камере смешения с одновременной циркуляцией содержимого камеры через отверстия в ней в матричный расплав, а матричного расплава - в камеру до достижения однородности композиционного материала как внутри, так и снаружи камеры смешивания, при этом перемешивание осуществляют при температуре на 100-200 С выше линии ликвидуса. 2. Устройство для осуществления способа получения литых композиционных материалов на основе алюминия по п.1, содержащее печь с Степень неравномерности распределения частиц,установленным в ней тиглем, перемешивающее устройство в виде импеллера, соединенное посредством вала с электродвигателем,выполненные из молибдена, с возможностью перемещения в вертикальной плоскости,отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит камеру смешивания матричного сплава с дисперсной армирующей фазой, выполненную из нитрида кремния, и размещенную внутри графитового тигля с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, при этом камера в верхней части снабжена отверстием, соединяющим полость камеры с тиглем, в нижней части камера снабжена дополнительными отверстиями в количестве 6,выполненными с возможностью регулирования их зазора. 3. Устройство по п.2 отличающееся тем, что импеллер, изготовленный из молибдена или вольфрама, расположен внутри камеры смешивания,устройство содержит резервуар для дискретного материала, соединенный с камерой смешивания трубопроводом, снабженным заглушкой резервуара,а на валу импеллера размещены два графитовых подшипника скольжения, один из которых расположен в донной части камеры, а другой,выполняющий роль крышки камеры смешивания, на уровне отверстия, соединяющего полость камеры с тиглем.

МПК / Метки

МПК: C22C 21/00, C22C 1/10

Метки: способ, получения, материалов, литых, алюмоматричных, устройство, композиционных

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/7-ip27170-sposob-i-ustrojjstvo-dlya-polucheniya-lityh-alyumomatrichnyh-kompozicionnyh-materialov.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Способ и устройство для получения литых алюмоматричных композиционных материалов</a>

Похожие патенты