RU2400323C1

RU2400323C1 - Procedure for production of high quality metal casts and alloys with super-dispersed structure

Info

Publication number: RU2400323C1
Application number: RU2009108983/02A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Анисимов (RU); Олег Владимирович Анисимов; Юрий Валерьевич Штанкин (RU); Юрий Валерьевич Штанкин
Original assignee: Олег Владимирович Анисимов
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-27

Abstract

FIELD: metallurgy. ^ SUBSTANCE: melt at temperature 200-700C over line of liquidus is poured into a lined and heated casting mould rotating at continuous speed. The casting mould is rotated at values of gravitation ratio in peripheral part of the mould from 50 to 300. Upon filling the mould with melt and distributing it in mould, volume of melt is cooled at rate not more, than 1C/sec. Processes of crystallisation in power field are completed before melt reaches temperature of crystallisation beginning under natural conditions. Rotation of a centrifuge is stopped upon cast cooling in the mould. ^ EFFECT: production of casts of metals and alloys of high quality with super-dispersed structure. ^ 6 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а конкретно к получению высококачественных литейных изделий и полуфабрикатов с ультрадисперсной структурой. По гипотезе автора, получаемая по предлагаемой технологии величина зерна отливок является теоретическим пределом этой величины. В процессе фазового перехода "жидкость-твердое тело" получить величину зерна, меньшую для данного металла или сплава другими способами (включая способы гранульной технологии), невозможно.The invention relates to the field of metallurgy, and specifically to the production of high-quality foundry products and semi-finished products with an ultrafine structure. According to the author's hypothesis, the grain size of castings obtained by the proposed technology is the theoretical limit of this value. In the process of the liquid-solid phase transition, it is impossible to obtain a grain size smaller for a given metal or alloy by other methods (including granular technology methods).

Априори считается, что за исключением редких случаев вынужденных компромиссов, уменьшение величины зерна практически любой отливки влечет за собой повышение ее ведущих физико-механических свойств, прочности, пластичности, коррозионной стойкости и др. Для достижения нужного измельчения зерна в отливках разработаны и широко применяется ряд способов и подходов. Например, известны способы, когда для формирования мелкозернистой структуры расплав активируется различными примесями, в основном, более тугоплавкими, частицы которых служат центрами кристаллизации. Удобнее всего механизм формирования центров кристаллизации рассматривать как работу «микрохолодильников». Более тугоплавкие включения при температурах кристаллизации основного металла имеют устойчивую кристаллическую структуру, атомы которой имеют возможность «отнять» часть энергии у составляющих расплава в локальных его зонах. Тем самым создаются условия для начала кристаллизации в этих зонах.A priori, it is believed that, with the exception of rare cases of forced compromises, a decrease in the grain size of almost any casting entails an increase in its leading physical and mechanical properties, strength, ductility, corrosion resistance, and others. A number of methods have been developed and are widely used to achieve the desired grinding of grain in castings and approaches. For example, methods are known where, for the formation of a fine-grained structure, the melt is activated by various impurities, mainly, more refractory, whose particles serve as crystallization centers. It is most convenient to consider the mechanism of formation of crystallization centers as the work of "micro-refrigerators". More refractory inclusions at crystallization temperatures of the base metal have a stable crystalline structure, the atoms of which have the ability to "take" part of the energy from the components of the melt in its local zones. This creates the conditions for the onset of crystallization in these zones.

Аналогичный механизм кристаллизации имеет место в случае применения различных лигатур для «размножения» их структуры в объеме расплава, что получило название «наследственность». Лигатуры независимо от способа приготовления получают достаточное измельчение собственной структуры и поэтому за счет больших поверхностей взаимодействия составляющих имеют температуру плавления несколько выше, чем основной сплав. В этой связи растворение частично расплавленной лигатуры в основном металле при определенно малых его перегревах приводит к возникновению дополнительных центров кристаллизации, как и в ранее описанном случае. Однако применение лигатур, также как и введение модификатора для осуществления объемной кристаллизации с целью получения измельченной структуры, сопряжено с целым рядом осложнений. На получение заданной структуры огромное влияние оказывают различные процессы, такие как температурный режим, качество растворения, объемное распределение составляющих лигатур и ряд других факторов. В этом направлении сегодня ведется большое количество работ.A similar crystallization mechanism takes place when various ligatures are used to “propagate” their structure in the melt volume, which is called “heredity”. Ligatures, regardless of the preparation method, obtain sufficient grinding of their own structure and therefore, due to the large interaction surfaces of the components, they have a melting point slightly higher than the main alloy. In this regard, the dissolution of the partially molten ligature in the base metal with its definitely overheating leads to the appearance of additional crystallization centers, as in the previously described case. However, the use of ligatures, as well as the introduction of a modifier for bulk crystallization in order to obtain a ground structure, is associated with a number of complications. Various processes, such as temperature, dissolution quality, volume distribution of constituent ligatures, and a number of other factors, have a great influence on obtaining a given structure. A large number of works are being carried out in this direction today.

Например, известен способ изготовления отливок путем направленной кристаллизации расплава (SU №1424952) (принят в качестве прототипа), заключающийся в том, что отливку формируют в градиентном силовом поле вращающегося кристаллизатора, используя при этом объемное (ненаправленное) охлаждение расплава. Причем скорость вращения кристаллизатора выбирают с учетом создания в расплаве давления, необходимого для формирования переохлаждения в расплаве, равного интервалу его метастабильности. В этих условиях при ненаправленном охлаждении расплава происходит его направленная кристаллизация от периферии к оси вращения кристаллизатора. Это осуществляется за счет увеличения температуры кристаллизации, в результате воздействия создаваемого давления в периферийных зонах расплава по сравнению с зонами, ближе расположенными к оси вращения кристаллизатора.For example, a known method of manufacturing castings by directional crystallization of the melt (SU No. 1424952) (adopted as a prototype), which consists in the fact that the casting is formed in the gradient force field of a rotating mold, using volumetric (non-directional) cooling of the melt. Moreover, the mold rotation speed is selected taking into account the creation of the pressure in the melt necessary for the formation of subcooling in the melt equal to the interval of its metastability. Under these conditions, with undirected cooling of the melt, its directed crystallization occurs from the periphery to the axis of rotation of the mold. This is due to an increase in the crystallization temperature, as a result of the effect of the generated pressure in the peripheral zones of the melt as compared with the zones closer to the axis of rotation of the mold.

Однако при положительном влиянии на качество отливок им присущи недостатки, не позволяющие в полной мере использовать возможность влияния на процессы кристаллизации изменением величины гравитационного коэффициента (GK), а также не удается получить заданный размер зерна и ориентированную структуру кристаллической решетки.However, with a positive effect on the quality of castings, they have inherent disadvantages that do not allow to fully use the possibility of influencing the crystallization processes by changing the value of the gravitational coefficient (GK), and it is also not possible to obtain a given grain size and oriented crystal lattice structure.

Скорость кристаллизации, задаваемую скоростью (n) зародышеобразования, можно оценить, используя кривые Таммана (фиг.1). Создавая в каком-либо сечении расплава переохлаждение, равное оптимальному для требуемого максимального значения скорости (n) зародышеобразования, теоретически можно обеспечить требуемое измельчение структуры отливки. Но применение общепринятого метода создания необходимого переохлаждения путем отбора тепла от выбранной зоны охлаждения приводит к тому, что по мере удаления фронта кристаллизации увеличивается тепловое сопротивление твердой фазы, что уменьшает эффективность воздействия охлаждения в произвольном сечении расплава. Это, в свою очередь, приводит к непрерывному уменьшению значения переохлаждения (даже без учета выделяющейся скрытой теплоты кристаллизации), а значит к уменьшению значения скорости (n) зародышеобразования. На практике, эти следствия приводят к увеличению крупности зерна при продвижении фронта кристаллизации от периферии к тепловой оси отливки, к возникновению нарастающего давления в расплаве, приводящего к вытеснению растворенных в расплаве газов, и пр., что в целом приводит к анизотропии ее физико-механических свойств. Рациональный выход в сложившейся ситуации был найден в объединении в одном технологическом процессе высокой скорости охлаждения, близкой к оптимальной, и малых габаритных размеров элементарной отливки. При этом максимальный эффект получения мелкозернистой структуры достигался путем механического деления расплава на малоразмерные отливки, охлаждаемые с высокой скоростью, при контакте капли жидкого расплава с охлажденной водой или другим нейтральным хладогеном (жидкий азот). При этом образуются мелкозернистые гранулы (дробь). Вместе с тем, в процессе высокотемпературного контакта жидкого металла с хладогеном (водой) в процессе кристаллизации, наступает химическое взаимодействие, приводящее к насыщению отливок газами, образующимися в процессе вскипания хладогена при контакте с каплей расплава. Наличие этого негативного эффекта требует проведения специального технологического процесса очистки гранул от газовых включений, что представляет достаточно сложную задачу, решаемую в большинстве случаев длительной (десятки часов) выдержкой в нагретом состоянии в вакуумных камерах. В дальнейшем из полученных гранул с мелкозернистой структурой методом сварки давлением в нагретом состоянии формируется готовая заготовка или изделие заданной конфигурации. При этом в процессе сварки гранул, на межгранульном шве проходят процессы, частично нивелирующие в сторону ухудшения ожидаемые служебные свойства мелкозернистой структуры. Несколько более изотропной структурой обладают изделия порошковой металлургии. Однако, как гранульная, так и порошковая технологии являются многостадийными, а значит и очень дорогими. Как вывод возможно утверждение, что существующие подходы к проблеме уменьшения величины зерна в отливках себя исчерпали.The crystallization rate specified by the nucleation rate (n) can be estimated using the Tamman curves (FIG. 1). By creating subcooling in any section of the melt equal to optimal for the required maximum value of the nucleation rate (n), it is theoretically possible to provide the required refinement of the casting structure. But the application of the generally accepted method of creating the necessary supercooling by taking heat from the selected cooling zone leads to the fact that as the crystallization front moves away, the thermal resistance of the solid phase increases, which reduces the efficiency of the effect of cooling in an arbitrary melt section. This, in turn, leads to a continuous decrease in the value of supercooling (even without taking into account the released latent heat of crystallization), and therefore to a decrease in the rate of (n) nucleation. In practice, these consequences lead to an increase in grain size during the advancement of the crystallization front from the periphery to the thermal axis of the casting, to the appearance of increasing pressure in the melt, leading to the displacement of gases dissolved in the melt, etc., which generally leads to anisotropy of its physical and mechanical properties. A rational solution in this situation was found by combining in one technological process a high cooling rate close to optimal and small overall dimensions of an elementary casting. In this case, the maximum effect of obtaining a fine-grained structure was achieved by mechanically dividing the melt into small-sized castings cooled at a high speed by contacting a drop of liquid melt with chilled water or another neutral refrigerant (liquid nitrogen). In this case, fine-grained granules (fraction) are formed. At the same time, in the process of high-temperature contact of a liquid metal with refrigerant (water) during crystallization, a chemical interaction occurs, which leads to saturation of the castings with gases formed during the boiling of refrigerant upon contact with a drop of melt. The presence of this negative effect requires a special technological process for cleaning granules from gas inclusions, which is a rather complicated task that can be solved in most cases by prolonged (tens of hours) holding in a heated state in vacuum chambers. Subsequently, from the obtained granules with a fine-grained structure by the method of pressure welding in a heated state, a finished workpiece or product of a given configuration is formed. Moreover, in the process of welding pellets, processes take place on the intergranular seam, partially leveling the expected service properties of the fine-grained structure in the direction of deterioration. Powder metallurgy products have a slightly more isotropic structure. However, both granular and powder technologies are multi-stage, and therefore very expensive. As a conclusion, it is possible to state that the existing approaches to the problem of reducing the grain size in castings have exhausted themselves.

Предлагаемое изобретение позволяет кардинально улучшить структуру отливок, доведя величину зерна до минимальных размеров, т.е. получить ультрадисперсную структуру, не менее предпочтительную, чем достигнутую применяемыми гранульными технологиями.The present invention allows to drastically improve the structure of castings, bringing the grain size to a minimum size, i.e. to obtain an ultrafine structure, no less preferable than that achieved by the applied granular technologies.

Достигаемый технический результат заключается в улучшении физических характеристик отливок металлов и сплавов за счет регулирования изменения размера зерна и создания ультрадисперсной структуры.The technical result achieved is to improve the physical characteristics of castings of metals and alloys by regulating changes in grain size and creating an ultrafine structure.

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом получения высококачественных отливок металлов и сплавов с ультрадисперсной структурой, заключающимся в том, что во вращающуюся с постоянной скоростью, соответствующую получению оптимального для данного металла или сплава значению гравитационного коэффициента GK (обеспечивающего формирование ультрадисперсной структуры отливки при ее формировании из расплава), изложницу центрифугального кристаллизатора заливается перегретый расплав, после заполнения перегретым расплавом изложницы обеспечивают ее вращением с постоянной скоростью. Для большинства металлов и сплавов в периферийной части изложницы значение гравитационного коэффициента меняется от 50 до 350 при объемном равномерном охлаждении расплава со скоростью охлаждения не более 1°С/с и временем жизни расплава, обеспечиваемого величиной перегрева расплава вместе с футеровкой изложницы или подогревом изложницы кристаллизатора, при которой процессы кристаллизации в силовом поле завершены до достижения расплавом температуры ликвидус, т.е. начала естественных процессов кристаллизации. После охлаждения отливки в изложнице кристаллизатора до температуры завершения всех процессов естественной кристаллизации останавливают вращение центрифуги и охлаждают отливку.The specified technical result is achieved by the proposed method for producing high-quality castings of metals and alloys with an ultrafine structure, which consists in the fact that it rotates at a constant speed, which corresponds to obtaining the optimal gravitational coefficient GK for a given metal or alloy (ensuring the formation of an ultrafine casting structure during its formation from the melt ), the overheated melt is poured into the mold of the centrifugal crystallizer, after filling with the overheated solution floating molds provide it with rotation at a constant speed. For most metals and alloys in the peripheral part of the mold, the value of the gravitational coefficient varies from 50 to 350 with uniform uniform cooling of the melt with a cooling rate of not more than 1 ° C / s and the melt lifetime provided by the melt overheating along with the mold lining or mold heating of the mold, in which crystallization processes in the force field are completed before the liquidus reaches the temperature of the melt, i.e. the beginning of natural crystallization processes. After cooling the casting in the mold of the mold to the temperature of completion of all processes of natural crystallization, stop the rotation of the centrifuge and cool the casting.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны для получения требуемого технического результата.These signs are essential and interrelated to obtain the desired technical result.

На фиг.1 - график зависимости Таммана;Figure 1 is a graph of the dependence of Tamman;

фиг.2 - диаграмма зависимости величины зерна отливки от гравитационного коэффициента G_k в процессе кристаллизации (G_k1 - монокристаллическая структура; G_k2 - субденритная структура);figure 2 is a diagram of the dependence of the magnitude of the grain of the casting on the gravitational coefficient G _k during crystallization (G _k1 is a single crystal structure; G _k2 is a subdenritic structure);

фиг.3 - диаграмма зависимости величины зерна в отливке А99 от гравитационных коэффициентов в процессе кристаллизации;figure 3 is a diagram of the dependence of the magnitude of the grain in the casting A99 from gravitational coefficients in the crystallization process;

фиг.4 - диаграмма зависимости величины зерна отливки сплава Ал-4 от гравитационного коэффициента (дан в n-оборотах ротора лабораторной центрифуги) в процессе кристаллизации;figure 4 is a diagram of the dependence of the grain size of the casting alloy Al-4 from the gravitational coefficient (given in n-revolutions of the rotor of the laboratory centrifuge) in the crystallization process;

фиг.5 - структура отливки сплава 7085, отлитого при гравитационном коэффициенте G_k=1, увеличение 100;figure 5 - structure of the casting alloy 7085 cast at a gravitational coefficient G _k = 1, an increase of 100;

фиг.6 - структура отливки сплава 7085, отлитого при гравитационном коэффициенте G_k=180, увеличение 100.6 is a structure of a casting of an alloy 7085 cast at a gravitational coefficient G _k = 180, an increase of 100.

Для решения поставленной задачи были проанализированы некоторые выводы уравнения Клаузиса-Клайперона, из уравнения которого следует, что повышение давления в расплаве приводит к адекватному повышению его температуры кристаллизации и, как показывают проведенные исследования, температуры стеклования.To solve this problem, some conclusions of the Clausis-Klaiperon equation were analyzed, from the equation of which it follows that an increase in pressure in the melt leads to an adequate increase in its crystallization temperature and, as the studies show, the glass transition temperature.

По данным различных исследований факт повышения температуры кристаллизации расплавов выглядят следующим образом (таблица 1):According to various studies, the fact of increasing the crystallization temperature of the melts is as follows (table 1):

Таблица 1Table 1 МеталлMetal AlAl FeFe CuCu NiNi SnSn PbPb ZnZn Т, °СT, ° С 660660 15391539 10831083 14551455 232232 327327 419419 dT/dP. 10^-2 мн/м² расчетdT / dP. 10 ^-2 mn / m ² calculation 5,55.5 2,72.7 3,33.3 2,62.6 3,23.2 8,38.3 3,73,7 ЭкспериментExperiment 6,46.4 3,03.0 4,24.2 3,73,7 4,34.3 11,011.0 4,54,5

Кроме повышения температуры фазового перехода в сложных системах происходит и качественное изменение диаграммы состояния, то есть появление новых или изменение свойств уже известных фаз.In addition to increasing the temperature of the phase transition in complex systems, a qualitative change in the state diagram occurs, that is, the appearance of new phases or changes in the properties of already known phases.

Так, например, смещение эвтектической точки диаграммы состояния Al+Si составляет 0,03% на 1 мН/м² в сторону кремния, то есть эвтектика обогащается кремнием.So, for example, the displacement of the eutectic point of the Al + Si state diagram is 0.03% per 1 mN / m ² towards silicon, that is, the eutectic is enriched with silicon.

Анализ результатов исследований показывает, что статическое давление может привести к существенным изменениям диаграммы состояния, то есть к сдвигу диаграммы, появлению новых фаз и фазовых областей. Изменением давления в предкристаллизационный период можно регулировать структуру, механические и служебные свойства металлов и сплавов.Analysis of the research results shows that static pressure can lead to significant changes in the state diagram, that is, to a shift of the diagram, the appearance of new phases and phase regions. By changing the pressure in the precrystallization period, one can control the structure, mechanical and service properties of metals and alloys.

Температура начала кристаллизации повышается при наличии давления Р_х в общем случае нелинейно:The temperature of crystallization onset rises in the presence of pressure P _x in the general case nonlinearly:

где α - значения коэффициентов α_i определены типом сплава.where α are the values of the coefficients α _{i are} determined by the type of alloy.

Как показывают исследования авторов, данная зависимость при давлениях до 100 МН/м² носит, практически, линейный характер:According to the studies of the authors, this dependence at pressures up to 100 MN / m ² is almost linear in nature:

Если расплав, находящийся в какой-либо момент времени при температуре, равной Т_о (температуре плавления), подвергнуть действию давления, то, пренебрегая его возможным микронагревом, получим (согласно формуле (2) увеличение температуры плавления. Это, в свою очередь, приводит к появлению в расплаве переохлаждения ΔТ. Судьба фазового перехода в твердое состояние решится в зависимости от соотношения значений ΔT и интервала метастабильности ΔТ_М.If a melt at a certain point in time at a temperature equal to T _о (melting temperature) is subjected to pressure, neglecting its possible microwarming, we obtain (according to formula (2) an increase in the melting temperature. This, in turn, leads to to the appearance in the melt of supercooling ΔТ. The fate of the solid state phase transition will be decided depending on the ratio of ΔT values and the metastability interval ΔТ _М.

Если полученное, кстати, во всем объеме расплава переохлаждение превышает интервал метастабильности, это повод начала процесса затвердевания. Давление и, следовательно, переохлаждение ΔT будет достигнуто идентичным во всем объеме расплава, что позволит сформировать любую адекватную структуру в любой зоне отливки.If the subcooling obtained, by the way, in the entire volume of the melt exceeds the interval of metastability, this is the reason for the beginning of the solidification process. The pressure and, consequently, the subcooling ΔT will be identical throughout the melt, which will allow any adequate structure to form in any casting zone.

В конечном итоге, необходимо требуемое значение давления Р_х, необходимое для формирования переохлаждения Т (Nmax).Ultimately, you need the required pressure value P _x necessary for the formation of subcooling T (Nmax).

При необходимости получения мелкодисперсной структуры следует использовать неравенство:If it is necessary to obtain a finely dispersed structure, the inequality should be used:

- в данном случае:- in this case:

ΔT^пopt - переохлаждение расплава, превышающее интервал метастабильности зарождения, соответствующее максимуму зависимости;ΔT ^p opt - melt subcooling exceeding the nucleation metastability interval corresponding to the maximum of the dependence;

n(ΔТ) - скорости возникновения центров кристаллизации от величины переохлаждения ΔT.n (ΔТ) is the rate of occurrence of crystallization centers from the amount of supercooling ΔT.

В качестве примера можно оценить требуемое значение давления для кристаллизации алюминия с интервалом метастабильности

:As an example, we can estimate the required pressure for crystallization of aluminum with an interval of metastability

:

- что является технически довольно простым событием и вполне приемлемо для практики.- which is technically quite a simple event and quite acceptable for practice.

Данный способ создания переохлаждения, а следовательно, кристаллизации характерен тем, что сформировать отливку можно, в общем случае, без понижения температуры. После завершения процесса кристаллизации можно охладить отливку в любом темпе, что никак не скажется на ее структуре. С помощью предлагаемого изобретения удалось решить следующие задачи:This method of creating subcooling, and hence crystallization, is characteristic in that a casting can be formed, in the general case, without lowering the temperature. After completion of the crystallization process, it is possible to cool the casting at any rate, which will not affect its structure in any way. Using the invention, it was possible to solve the following problems:

- формируемый приоритет по началу кристаллизации является абсолютно управляемым;- the formed priority at the beginning of crystallization is absolutely controllable;

- создаваемое переохлаждение не зависит от толщины слоя расплава;- created subcooling does not depend on the thickness of the melt layer;

- механизм создания переохлаждения имеет быстродействие, соизмеримое со временем релаксации τ_рел;- the mechanism of creating subcooling has a speed comparable with the relaxation time τ _rel ;

- способ может быть применим ко всем типам сплавов.- the method can be applied to all types of alloys.

Таким образом, теоретически представленная и практически подтвержденная взаимосвязь величины переохлаждения, давления и гравитационного коэффициента позволяет представить известные зависимости Таммана (фиг.1) и зависимость величины переохлаждения расплава от гравитационного коэффициента (GK) наложенного силового поля центрифуги (фиг.2). Данная зависимость вписывается в представления об определяющем влиянии основных значений параметров среды на фундаментальные процессы кристаллизации металлов и сплавов. Температура расплава, давление в расплаве и действующий гравитационный коэффициент, варьирующие по модулю, знаку и основным производным определяют кинетику всех кристаллизационных процессов металлов и сплавов. В работах А.В.Попова показано, что принятое в традиционной металлургии игнорирование возможности влияния на процессы кристаллизации изменением не стационарных силовых полей, в том числе и силовых полей центрифуг в широком диапазоне их гравитационных коэффициентов, значительно снижает возможности влияния на процессы кристаллизации. Априори принят в традиционных металлургических подходах фоновый гравитационный коэффициент на поверхности Земли, равный 1. Вместе с тем влияние нестационарных силовых полей, в частности силовых полей центрифуг, подменяющих величину и скорость изменения температуры расплавов в областях слабых перегревов, представляется более предпочтительным. Появляется возможность активно влиять на процессы кристаллизации за счет организации направленной кристаллизации, значительного улучшения качества твердых растворов при форсировании процессов диффузии, формирования преимущественной кристаллографической ориентации кристаллов, формирование заданной зеренной структуры отливок от монокристаллической до субдендритной. Возможно получить новые сплавы на основе металлических систем, используя значительный сдвиг вправо диаграмм состояния двойных и других систем в не стационарных силовых полях.Thus, the theoretically presented and practically confirmed relationship between the magnitude of subcooling, pressure and the gravitational coefficient allows us to present the well-known dependences of Tamman (Fig. 1) and the dependence of the magnitude of the supercooling of the melt on the gravitational coefficient (GK) of the imposed centrifuge force field (Fig. 2). This dependence fits into the concept of the determining influence of the basic values of the parameters of the medium on the fundamental processes of crystallization of metals and alloys. The temperature of the melt, the pressure in the melt and the current gravitational coefficient, varying in modulus, sign and main derivatives, determine the kinetics of all crystallization processes of metals and alloys. In the works of A.V. Popov, it was shown that ignoring the possibility of influencing crystallization processes by changing non-stationary force fields, including the force fields of centrifuges in a wide range of their gravitational coefficients, adopted in traditional metallurgy, significantly reduces the possibility of influencing crystallization processes. The background gravitational coefficient on the Earth’s surface, equal to 1, is accepted a priori in traditional metallurgical approaches. At the same time, the influence of non-stationary force fields, in particular force fields of centrifuges, replacing the magnitude and rate of change of the temperature of the melts in areas of weak overheating, is more preferable. It becomes possible to actively influence crystallization processes through the organization of directional crystallization, a significant improvement in the quality of solid solutions during the forcing of diffusion processes, the formation of the preferred crystallographic orientation of crystals, and the formation of a given grain structure of castings from single-crystal to subdendritic. It is possible to obtain new alloys based on metal systems using a significant rightward shift of the state diagrams of binary and other systems in non-stationary force fields.

Необходимость изучения названных зависимостей актуальна, как для каждого металла таблицы Менделеева, так и для производимых двойных, тройных и других сплавов. Для реализации данных подходов металлургу для каждой плавки необходимо построение диаграмм зависимости величины зерна отливок от гравитационного коэффициента наложенного силового поля центрифуги. Такая диаграмма позволяет определить для принятого химсостава слабоперегретого и объемноохлаждаемого расплава при проведении процессов кристаллизации в неравномерных силовых полях центрифуг два важнейших значения гравитационного коэффициента:The need to study these dependencies is relevant, both for each metal of the periodic table, and for the produced double, triple and other alloys. To implement these approaches, the metallurgist for each melt needs to build diagrams of the dependence of the grain size of the castings on the gravitational coefficient of the imposed centrifuge force field. Such a diagram makes it possible to determine for the adopted chemical composition of a slightly overheated and volume-cooled melt during crystallization processes in uneven force fields of centrifuges two important values of the gravitational coefficient:

1) для получения монокристаллических структур отливок.1) to obtain single-crystal structures of castings.

2) для получения ультрадисперсных структур отливок.2) to obtain ultrafine structures of castings.

Естественно, на диаграмме показаны и все промежуточные значения зависимостей, в том числе и при GK=1, т.е. на поверхности земли. Понятно, что для построения названной зависимости для каждого металла или сплава требуется провести сотни и более лабораторных плавок. Например: для построения названной зависимости для алюминия А99 необходимо при дискретности 1 по коэффициенту гравитации провести около 250 лабораторных плавок, с обработкой результатов каждой плавки. Нами применяется способ, позволяющий путем одной плавки в лабораторном кристаллизаторе построить нужную диаграмму зависимости величины формирующегося зерна от действующего гравитационного коэффициента, а также построить и другие диаграммы зависимости значений параметров отливок от величин гравитационных коэффициентов наложенных силовых полей центрифуг.Naturally, the diagram also shows all the intermediate values of the dependencies, including for GK = 1, i.e. on the surface of the earth. It is clear that in order to build the named relationship for each metal or alloy, hundreds or more laboratory melts are required. For example: to build the named dependence for A99 aluminum, it is necessary, with a resolution of 1 by gravity coefficient, to conduct about 250 laboratory melts, with the processing of the results of each melting. We use a method that allows, by one melting in a laboratory crystallizer, to build the desired diagram of the dependence of the magnitude of the forming grain on the current gravitational coefficient, as well as to construct other diagrams of the dependence of the values of the parameters of the castings on the values of the gravitational coefficients of the superimposed force fields of the centrifuges.

Для решения этой задачи мы используем способ, суть которого состоит в следующем: слабо перегретый исследуемый расплав заливается в изложницу радиуса R с термодинамическими характеристиками, обеспечивающими объемное охлаждение расплава со скоростью не выше 0,1 °С/c, вращающуюся с постоянной скоростью, обеспечивающей в точке максимального радиуса изложницы значение гравитационного коэффициента, соответствующего верхнему значению шкалы гравитационных коэффициентов на диаграмме. Для большинства металлов и сплавов такое значение равно 350. Величина перегрева заливаемого исследуемого расплава вкупе со скоростью охлаждения расплава в данной изложнице должно обеспечить завершение процесса кристаллизации расплава в силовом поле до наступления процессов кристаллизации в естественных условиях. Количество заливаемого для исследований расплава обеспечивает полное заполнение изложницы от центра до радиальной границы изложницы. Кристаллизация расплава происходит в градиентном силовом поле центрифуги, распределенном по величине гравитационного коэффициента от 1 в центре изложницы и до максимального заданного значения у радиальной границы изложницы. В процессе кристаллизации в каждом круговом сечении отливки формирование зеренной структуры происходит при соответствующем данному значению радиуса R гравитационном коэффициенте, что предопределяет величину зерна в сечении. В дальнейшем выдерживается время, необходимое для остывания отливки во вращающейся с заданной постоянной скоростью изложнице лабораторной центрифуги до температуры завершения кристаллизационных процессов в естественных условиях. Для большинства алюминиевых сплавов эта температура составляет 450-500°С. Для некоторых сталей 900°С и выше. После завершения всех процессов из диска отливки вырезается радиальный тамплет в виде полосы шириной, равной толщине отливки, и длиной, равной радиусу R отливки. Тамплет подвергается шлифовке, полировке и травлению, обычных при лабораторных исследованиях величины зерна отливок. В дальнейшем измерением крупности зерна в каждом сечении снимаем значения крупности зерна по всей длине подготовленного тамплета с выбранной дискретностью. Сопоставляя значения величины зерна с ординатой тамплета, строим диаграмму зависимости величины зерна отливки от ординаты тамплета. Заменяем в диаграмме значения ординаты тамплета на величину GK через известную зависимость величины GK от величины R данной точки тамплета при известных оборотах ротора центрифуги (фиг.3 и фиг.4).To solve this problem, we use a method whose essence is as follows: a slightly overheated test melt is poured into a mold of radius R with thermodynamic characteristics that provide volumetric cooling of the melt at a speed of no higher than 0.1 ° C / s, rotating at a constant speed, providing point of the maximum radius of the mold the value of the gravitational coefficient corresponding to the upper value of the scale of gravitational coefficients in the diagram. For most metals and alloys, this value is 350. The overheating value of the melt under study, coupled with the melt cooling rate in this mold, should ensure the completion of the melt crystallization process in a force field before crystallization occurs under natural conditions. The amount of melt poured for research ensures the complete filling of the mold from the center to the radial border of the mold. Crystallization of the melt takes place in a centrifuge gradient force field, distributed by the value of the gravitational coefficient from 1 in the center of the mold to the maximum specified value at the radial border of the mold. In the process of crystallization in each circular section of the casting, the formation of a grain structure occurs at a gravitational coefficient corresponding to a given value of radius R, which determines the grain size in the section. In the future, the time required for cooling the casting in a laboratory centrifuge mold rotating at a given constant speed to the temperature of completion of crystallization processes in vivo is maintained. For most aluminum alloys, this temperature is 450-500 ° C. For some steels 900 ° C and above. After completion of all the processes, a radial template is cut out of the casting disk in the form of a strip with a width equal to the thickness of the casting and a length equal to the radius R of the casting. The template is subjected to grinding, polishing and etching, which are common in laboratory studies of the grain size of castings. In the future, by measuring the grain size in each section, we remove the grain size values along the entire length of the prepared template with the selected discreteness. Comparing the values of the grain size with the ordinate of the template, we construct a diagram of the dependence of the grain size of the casting on the ordinate of the template. In the diagram, we replace the values of the ordinate of the template with the value of GK through the known dependence of the value of GK on the value of R of a given point of the template at known rotational speeds of the centrifuge rotor (Fig. 3 and 4).

Полученная диаграмма зависимости крупности D зерна от величины гравитационных коэффициентов GK позволяет выбрать необходимые технологические режимы, оптимальные для данного металла или сплава, при получении отливок в силовых полях центрифуг. Лабораторная установка представляет собой центрифугальную машину с вертикальной осью, на которой закреплен вращающийся ротор с футерованной изложницей. Ротор приводится во вращение электродвигателем с регулируемой скоростью вращения. Заданная скорость вращения ротора центрифуги стабилизируется специальной электронной системой стабилизации заданных оборотов. Нужные термодинамические характеристики изложницы кристаллизатора, обеспечивающие скорость охлаждения не выше 0,1 К/с, обеспечиваются конструктивным исполнением футеровки изложницы и предварительным подогревом внутренней поверхности изложницы, перед заливкой расплава, пламенем газовой горелки до 200-250°С. Корпус ротора выполнен из конструкционной стали толщиной 5 мм и состоит из нижней несъемной части и верхней съемной крышки. Внутренняя часть несъемной части и крышки содержит футеровку толщиной 25 мм, сформированную из смеси шамотной крошки - основной наполнитель, огнеупорной глины-связки и графита-агента, противостоящих растрескиванию футеровки, в пропорции 7/3/1, для придания изложнице нужных термодинамических характеристик, а также 5 мм химически нейтрального графита для защиты футеровки от теплового удара при заполнении изложницы расплавом. Внутренние размеры футерованной изложницы, а равно размеры затвердевшей отливки составляют: толщина диска отливки 10 мм, радиус 130 мм. Измерения проводились на технически чистом алюминии марки А99 и алюминиевом сплаве АЛ-4, сплаве 7085, экспериментальном сплаве с высоким содержанием цинка и сплаве Амг-6. Обороты ротора задавались равными 1700 об/мин, что при радиусе 130 мм давали верхнее значение ординаты гравитационного коэффициента равным 250. Температура заливаемого расплава составляла 850-900°С. По истечении 20 мин вращения ротора с расплавом, опытом установленное время, достаточное для уменьшения температуры затвердевшей отливки ниже 400°С, кристаллизатор останавливался и извлекалась дисковая отливка. После полного охлаждения диска от центра к радиусной части вырезался тамплет размером: толщина 10 мм, ширина 20 мм и длина 130 мм. Затем тамплет подвергался двухстороннему фрезерованию по толщине тамплета по 3 мм с каждой стороны. Полученный тамплет толщиной 4 мм, шириной 20 мм и длиной 130 мм помещался в соответствующую по размеру формочку из пластмассы и заливался эпоксидной смолой заподлицо с тамплетом. После шлифовки, полировки и травления снимались показатели размера зерна по геометрии тамплета и наносились на диаграмму. Полученная диаграмма зависимости величины зерна отливки от гравитационного коэффициента технически чистого алюминия А99 показана на фиг.4. Величины GK, обеспечивающие минимальный размер зерна отливки, получены: для сплава 7085-100; для экспериментального сплава с высоким содержанием цинка 120; для сплава Амг-6 180; для технически чистого алюминия А99 220. На основании полученных лабораторных зависимостей появляется возможность получать отливки металлов и сплавов с крупностью зерна экстремально малых значений, а значит получать ожидаемо высокие служебные свойства отливок.The obtained diagram of the dependence of the grain size D of the grain on the magnitude of the gravitational coefficients GK allows you to select the necessary technological conditions that are optimal for a given metal or alloy when castings are obtained in the force fields of centrifuges. The laboratory setup is a centrifugal machine with a vertical axis, on which a rotating rotor with a lined mold is fixed. The rotor is driven by an electric motor with an adjustable speed of rotation. The set speed of the centrifuge rotor is stabilized by a special electronic stabilization system for the set speed. The necessary thermodynamic characteristics of the mold of the mold, providing a cooling rate of not higher than 0.1 K / s, are ensured by the design of the lining of the mold and by preheating the inner surface of the mold, before pouring the melt, with a gas burner flame to 200-250 ° С. The rotor casing is made of structural steel 5 mm thick and consists of a lower fixed part and an upper removable cover. The inner part of the non-removable part and the lid contains a lining 25 mm thick, formed from a mixture of fireclay chips - the main filler, refractory clay binder and graphite agent, which resist cracking of the lining, in the proportion 7/3/1, to give the mold the necessary thermodynamic characteristics, and also 5 mm chemically neutral graphite to protect the lining from heat shock when the mold is filled with melt. The internal dimensions of the lined mold, as well as the dimensions of the hardened castings are: casting disc thickness 10 mm, radius 130 mm. The measurements were carried out on technically pure A99 grade aluminum and AL-4 aluminum alloy, 7085 alloy, experimental alloy with a high zinc content and Amg-6 alloy. The rotor revolutions were set equal to 1700 rpm, which at a radius of 130 mm gave the upper value of the ordinate of the gravitational coefficient equal to 250. The temperature of the molten melt was 850-900 ° C. After 20 minutes of rotation of the rotor with the melt, the experiment set the time sufficient to reduce the temperature of the hardened castings below 400 ° C, the mold was stopped and the disc casting was removed. After complete cooling of the disk from the center to the radius, a template was cut out with a size of 10 mm thick, 20 mm wide and 130 mm long. Then the template was subjected to bilateral milling by the thickness of the template 3 mm on each side. The obtained template with a thickness of 4 mm, a width of 20 mm and a length of 130 mm was placed in an appropriate plastic mold and filled with epoxy resin flush with the template. After grinding, polishing and etching, grain size indices were taken according to the geometry of the template and applied to the diagram. The obtained diagram of the dependence of the grain size of the casting on the gravitational coefficient of technically pure aluminum A99 is shown in Fig.4. The values of GK, providing the minimum grain size of the castings, are obtained: for alloy 7085-100; for an experimental alloy with a high zinc content of 120; for alloy Amg-6 180; for technically pure aluminum A99 220. Based on the obtained laboratory dependences, it becomes possible to obtain castings of metals and alloys with grain sizes of extremely small values, which means to obtain the expectedly high service properties of castings.

Предлагаемый способ получения мелкозернистой структуры отливки предполагает одностадийную технологию литья, когда слабоперегретый расплав заливается во вращающуюся с заданной скоростью изложницу ротора центрифуги. При этом заданная скорость вращения кристаллизатора соответствует оптимальному значению гравитационного коэффициента GK для данного металла или сплава, обеспечивающего минимальную величину зерна в отливке. Это значение гравитационного коэффициента снимаем с построенных вышеописанным способом диаграмм зависимости крупности зерна отливок от гравитационных коэффициентов, при организации процессов кристаллизации в нестационарных силовых полях или получаем экспериментально. Изложница ротора центрифуги имеет термодинамические характеристики, обеспечивающие, вместе с величиной перегрева расплава, время существования в жидкой фазе, достаточного для преимущественной кристаллизации расплава при заданной величине гравитационного коэффициента силового нестационарного поля центрифуги, до достижения расплавом, в условиях объемного равномерного охлаждения, температуры начала кристаллизации в обычных условиях. В дальнейшем заданный гравитационный коэффициент во вращающейся изложнице ротора центрифуги поддерживается постоянным до достижения затвердевшей отливки в процессе остывания температуры завершения всех процессов кристаллизации данного металла или сплава в обычных условиях. Скорость объемного равномерного охлаждения расплава устанавливается не более 1°С/с. Величина заданного значения гравитационного коэффициента в среднем сечении изложницы обеспечивает максимальную скорость зародышеобразования (Vn) и задается величиной оборотов ротора центрифуги при известном радиусе среднего сечения кольцевой изложницы. Необходимое значение оптимального для мелкозернистой структуры отливки гравитационного коэффициента (GK) получаем или из диаграммы зависимости для данного металла или сплава или представленным способом в лабораторной литейной центрифуге. Для проверки эффективности предлагаемого метода был выполнен ряд отливок различных сплавов на основе алюминия с последующим сравнительным анализом структуры и свойств тех же сплавов, отлитых по обычной технологии. Были выполнены четыре серии плавок алюминиевых сплавов различных систем.The proposed method for producing a fine-grained structure of a casting involves a one-stage casting technology, when a slightly overheated melt is poured into a spinning mold of a centrifuge rotor rotating at a given speed. At the same time, the specified mold rotation speed corresponds to the optimal value of the gravitational coefficient GK for a given metal or alloy, which provides the minimum grain size in the casting. This value of the gravitational coefficient is removed from the diagrams of the dependence of the grain size of the castings on the gravitational coefficients constructed in the above-described way when organizing crystallization processes in unsteady force fields or we obtain it experimentally. The mold of the centrifuge rotor has thermodynamic characteristics that, together with the melt overheating, provide a residence time in the liquid phase sufficient for the predominant crystallization of the melt at a given value of the gravitational coefficient of the force unsteady centrifuge field until the melt, under conditions of uniform volumetric cooling, crystallizes at normal conditions. Subsequently, the predetermined gravitational coefficient in the rotating mold of the centrifuge rotor is kept constant until the solidified casting is reached during cooling of the temperature and all crystallization processes of this metal or alloy are completed under ordinary conditions. The rate of volumetric uniform cooling of the melt is set to not more than 1 ° C / s. The value of the set value of the gravitational coefficient in the middle section of the mold provides the maximum nucleation rate (Vn) and is set by the speed of the centrifuge rotor with a known radius of the middle section of the annular mold. The necessary value of the gravity coefficient (GK) casting optimal for the fine-grained structure is obtained either from the dependence diagram for a given metal or alloy or by the presented method in a laboratory casting centrifuge. To test the effectiveness of the proposed method, a series of castings of various aluminum-based alloys was performed, followed by a comparative analysis of the structure and properties of the same alloys cast using conventional technology. Four series of melts of aluminum alloys of various systems were performed.

1 серия. Сплав 7085 системы Al-Zn-Mg-Cu, новейшая разработка фирмы Alcoa.1 episode. Alloy 7085 of the Al-Zn-Mg-Cu system, the latest development by Alcoa.

2 серия. Экспериментальный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu, разработка ОАО"РС" с повышенным содержанием цинка.2 series. Experimental alloy of the Al-Zn-Mg-Cu system, developed by OJSC RS with a high content of zinc.

3 серия. Промышленный сплав Амг-6, системы Al-Mg.3 series. Industrial alloy Amg-6, Al-Mg systems.

4 серия. Промышленно чистый алюминий А99.4 series. Industrial grade aluminum A99.

Полученные результаты: Расплавы приготовлялись в графитированных тиглях печи сопротивления с применением обычных для алюминиевых сплавов рафинирования и очистки расплавов. Необходимая величина перегрева расплава перед заливкой в изложницу кристаллизатора для всех серий задавалась одинаковой и определялась температурой заливаемого в изложницу кристаллизатора расплава, равной 900°С. Изложница кристаллизатора имеет двухслойную футеровку, состоящую из 20 мм слоя теплоизоляционной массы на основе шамотной глины и 5 мм слоя графита. Футеровка вместе с предварительным подогревом изложницы до 200-300°С обеспечивают объемное равномерное охлаждение залитого расплава со скоростью менее 1°С/с.Results: The melts were prepared in graphitized crucibles of a resistance furnace using the refining and purification of melts common for aluminum alloys. The required value of the melt overheating before pouring into the mold of the mold for all series was set the same and was determined by the temperature of the molten mold being cast into the mold, equal to 900 ° С. The mold of the mold has a two-layer lining, consisting of a 20 mm layer of heat-insulating mass based on chamotte clay and a 5 mm layer of graphite. Lining, together with pre-heating of the mold to 200-300 ° C, provides uniform volumetric cooling of the molten melt at a rate of less than 1 ° C / s.

Обороты ротора центрифугального кристаллизатора задавались для получения нужного гравитационного коэффициента, обеспечивающие минимальный размер формирующегося зерна в процессе кристаллизации для данного расплава, и составляли:The rotor speed of the centrifugal crystallizer was set to obtain the desired gravitational coefficient, providing the minimum size of the formed grain during crystallization for a given melt, and amounted to:

для 1 серии 100for 1 series 100

для 2 серии 120for 2 series 120

для 3 серии 180for 3 series 180

для 4 серии 220.for 4 series 220.

В результате проведенных работ серии 1 применение данного изобретения позволило за счет уменьшения размера зерна в отливке улучшить служебные свойства сплава 7085, получить из него прокат 1,5 мм с высокими параметрами прочности.As a result of the work of series 1, the application of this invention, due to a decrease in the grain size in the casting, improved the service properties of the 7085 alloy and made 1.5 mm rolled from it with high strength parameters.

В результате проведенных работ серии 2 с экспериментальным сплавом с повышенным содержанием цинка, применяемым для изготовления заготовок методом (пять технологических шагов и 28 часов технологическое время) гранульной технологии, показано, что применение данного изобретения позволяет одной отливкой получить ту же заготовку с подобными служебными свойствами.As a result of the work of series 2 with an experimental alloy with a high zinc content used for the manufacture of billets by the pellet technology (five technological steps and 28 hours technological time), it is shown that the use of this invention allows one cast to obtain the same billet with similar service properties.

В результате проведенных работ серии 3 установлено, что применение данного изобретения при кристаллизации сплава Амг-6 приводит при уменьшении величины зерна к улучшению проката сплава и повышению его служебных свойств.As a result of the work of series 3, it was found that the use of this invention in the crystallization of the Amg-6 alloy leads to an improvement in the rolled metal of the alloy and an increase in its service properties when grain size is reduced.

В результате проведения работ серии 4 показано резкое уменьшение размера зерна технически чистого металла при применении предлагаемого способа получения отливок.As a result of the work of series 4, a sharp decrease in the grain size of technically pure metal is shown when applying the proposed method for producing castings.

На фиг.5 и фиг.6 приведены сравнительные структурные картины отливок, полученных при обычном литье в форму сплава и при проведении отливки по предлагаемому данным изобретением способу. Анализ картин показывает высокую эффективность предлагаемого способа. Полученные величины размеров зерен в структуре отливок А99 сведены в таблицу 2.Figure 5 and figure 6 shows the comparative structural patterns of castings obtained by conventional casting in the form of an alloy and during casting according to the method proposed by this invention. Analysis of the pictures shows the high efficiency of the proposed method. The obtained grain sizes in the structure of castings A99 are summarized in table 2.

Таблица 2table 2 Металл А99A99 metal Образец 1Sample 1 Образец 2Sample 2 Образец 3 Sample 3 Kg опт. = 220Kg opt. = 220 0,40 мм0.40 mm 0,44 мм0.44 mm 0.38 мм0.38 mm

Примечание к таблице 2 - в контрольной отливке А99 обычным способом замеренная величина зерна достигает 4 мм.Note to table 2 - in the control casting A99 in the usual way, the measured grain size reaches 4 mm.

Применение предлагаемого изобретения позволяет улучшить служебные свойства многих применяемых в промышленности сплавов. Применение предлагаемого изобретения может привести к значительному удешевлению процессов получения отливок с ультрадисперсными структурами, значительно удешевив и сократив по времени технологические процессы при сохранении, а в ряде случаев и улучшении служебных свойств. Внедрение предлагаемого изобретения, возможно приведет к полному вытеснению гранульных технологий. В технологиях порошковой металлургии данное изобретение сократит и удешевит процесс изготовления нужного исходного порошкового материала, при сохранении ее главного преимущества - высочайшей изотропности структуры.The application of the invention allows to improve the service properties of many alloys used in industry. The application of the invention can lead to a significant reduction in the cost of processes for producing castings with ultrafine structures, significantly reducing the cost and time reduction of technological processes while maintaining, and in some cases, improving service properties. The implementation of the invention may lead to the complete crowding out of granular technologies. In powder metallurgy technologies, this invention will reduce and reduce the cost of the manufacturing process of the desired starting powder material, while maintaining its main advantage - the highest isotropy of the structure.

Claims

A method of producing castings from metals and alloys with an ultrafine structure, including pouring the melt into a mold rotating by centrifuge with the distribution of the melt throughout the mold from the center to the mold wall, uniform volumetric cooling of the melt, characterized in that the melt is overheated by 200-700 before casting into the mold ° C above the liquidus line, and the mold is lined or heated, the mold is rotated at a constant speed with the values of the gravitational coefficient in the peripheral part of the stated eggs from 50 to 300, with uniform bulk cooling of the melt is carried out at a speed of not more than 1 ° C / s, which ensures the completion of crystallization processes in a force field until the melt reaches the temperature of the onset of crystallization in natural conditions, and after cooling the casting in the mold, the centrifuge is stopped .