PL B1. Sposób i urządzenie do wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i ze stopów wysokotopliwych

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B22D 17/00 ( ) B22D 27/02 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób i urządzenie do wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i ze stopów wysokotopliwych (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT ODLEWNICTWA, Kraków, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/16 (72) Twórca(y) wynalazku: WOJCIECH WIERZCHOWSKI, Kraków, PL KRZYSZTOF JAŚKOWIEC, Kraków, PL KRYSTYNA RABCZAK, Kraków, PL MAREK KRANC, Wieliczka, PL ZENON PIROWSKI, Kraków, PL ANDRZEJ GWIŻDŻ, Kraków, PL ŁUKASZ BOROŃ, Kraków, PL TADEUSZ GROCHAL, Wieliczka, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i ze stopów wysokotopliwych z zastosowaniem metody odlewania ciągłego, półciągłego i nieciągłego. Uzyskiwanie struktury tiksotropowej w stopach metali polega na doprowadzeniu fazy pierwotnej, austenitu w przypadku żeliwa, do postaci granularnej przez co faza ta przyjmuje postać zawiesiny w otoczeniu niżej topliwych elementów struktury w stanie półciekłym, zwanym stanem semi-solid. W przypadku stopów odlewanych polega to na wymuszeniu krystalizacji niedendrytycznej fazy pierwotnej stopu, polegającym na mieszaniu mechanicznym, bądź elektromagnetycznym kąpieli metalowej w czasie jej stygnięcia od temperatury przegrzania powyżej temperatury likwidus do temperatury w zakresie likwidus-solidus (T L ; T S ). Proces wytwarzania zawiesiny tiksotropowej o pożądanej strukturze wymaga pewnego rodzaju stanu równowagi pomiędzy szybkością ścinania wywołanego wymuszonym ruchem metalu i szybkością jego stygnięcia. Początkowo stosowane były metody mieszania mechanicznego, ale wyparte zostały przez metody elektromagnetyczne, które na skalę przemysłową stosowane są w przetwórstwie stopów aluminium i magnezu. Opracowano dwa następujące rodzaje metod elektromagnetycznych: mieszanie poprzez indukowanie prądów wirowych w ciekłym metalu i mieszanie przy pomocy wirującego pola magnetycznego metody oparte o magnetohydrodynamikę metody MHD. Znana jest też metoda chłodzącej płyty pochyłej SCP, polegająca na szybkim zarodkowaniu fazy pierwotnej stopu w czasie jego przepływu po płycie metalowej, zazwyczaj miedzianej, dzięki czemu istnieją warunki sprzyjające dla procesu wzrostu dużej ilości trwałych zarodków fazy pierwotnej równomiernie rozłożonych w objętości wlewka, co w rezultacie w połączeniu z ruchem płynącego metalu, wymusza krystalizację niedendrytyczną. Metoda SCP pozwala na stosunkowo łatwe wytworzenie struktury tiksotropowej, ale proces jest trudny do sterowania, przede wszystkim ze względu na tendencję do tworzenia się skorupy z zakrzepniętego stopu pod strugą płynącego metalu. Skorupa ta, nawet stosunkowo cienka, hamuje wymianę ciepła między strugą, a płytą chłodzącą i może zmniejszać lub niwelować efekt szybkiego zarodkowania trwałych ziaren fazy pierwotnej i w konsekwencji zmniejszać lub niwelować tworzenie struktury tiksotropowej. Z tego powodu proces jest trudny do sterowania i nie daje możliwości stosowania do odlewania ciągłego, a wielkość odlewów wykonywanych pojedynczo też jest ograniczona. Z tego też powodu metoda SCP stosowana jest tylko w laboratoriach badawczych. Znany z opisu patentowego PL sposób otrzymywania odlewów tiksotropowych polega na tym, że ciekły stop wlewa się bezpośrednio do komory maszyny ciśnieniowej urządzenia, gdzie poddaje się go działaniu wirującego pola magnetycznego do czasu uzyskania temperatury likwidus-solidus i struktury reokast, następnie stop upłynnia się pod siłowym działaniem tłoka maszyny ciśnieniowej i pod jego działaniem przetłacza się przez układ wnęki formy ciśnieniowej, gdzie krzepnie w warunkach działania ciśnienia doprasowania, a urządzenie zbudowane jest z poziomej komory maszyny ciśnieniowej zaopatrzonej w otwór wlewowy, tłok i układ wlewowy, a na zewnątrz komory ciśnieniowej zainstalowane są cewki indukujące wirujące pole elektromagnetyczne. Metoda i urządzenie przeznaczone jest do wykonywania odlewów stopów niskotopliwych na bazie aluminium i magnezu. Znany z opisu patentowego US sposób i urządzenie do wytwarzania tiksotropowej zawiesiny stopów metali w stanie semi-solid oparty jest o technikę MHD i polega na magnetohydrodynamicznym oddziaływaniu wirującego pola magnetycznego generowanego przez dwubiegunowe wielofazowe stojany silnikowe na stygnący ciekły stop metalowy. Stopiony metal jest studzony w formie cylindrycznej w warunkach kontrolowanych, a w tym czasie następuje jego mieszanie pod wpływem ruchu pola magnetycznego. Podstawą opisanego sposobu jest zastosowanie dwubiegunowego stojana silnika indukcyjnego. Dzięki temu pole magnetyczne nie-zerowe przenika pełny przekrój poprzeczny krystalizującego metalu i obejmuje cały obszar strefy krystalizacji. Ponadto, ponieważ siły działają stycznie do ścianek formy, efekt ścinania oddziałujący na pojawiające się dendryty jest wzmocniony, gdyż siły te działają prostopadle do kierunku ich wzrostu. Uzyskuje się wysokie wartości szybkości ścinania, odpowiednie dla procesu wytworzenia tiksotropowej zawiesiny stopu w stanie semi-solid. Sposób i urządzenie stosowane są do stopów niskotopliwych na bazie aluminium i magnezu. Urządzenie przeznaczone jest do wytwarzania struktury tiksotropowej stopów w procesie ciągłego lub półciągłego odlewania wlewków, ale przewidziano również wersję przeznaczoną do odlewania nieciągłego. Urządzenie zbudowane jest z formy pionowej w postaci rury z metalu niemagnetycznego zamkniętej od dołu płytką w wersji odlewania statycznego, lub ruchomym trzpieniem do wyciągania wlewka w wersji odlewania ciągłego. Od góry forma przykryta jest kształtką ceramiczną blo-

3 PL B1 3 kującą wylewanie się metalu pod wpływem działania pola MHD i równocześnie umożliwiającą dopływ metalu ciekłego. Pod tą kształtką we wnętrzu formy znajduje się krótka tuleja ceramiczna izolująca dopasowana do wnęki. Pod tą kształtką na zewnątrz formy znajduje się kolektor systemu chłodzenia, który pełni rolę krystalizatora. Medium chłodzące działa bezpośrednio na ścianki zewnętrzne formy. Wokół formy zainstalowany jest dwubiegunowy, wielofazowy stojan wytwarzający wirujące nie-zerowe pole magnetyczne. Sposób wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i stopów wysokotopliwych, według wynalazku polega na tym, że stopiony metal o temperaturze przegrzania powyżej temperatury likwidus T L, korzystnie o temperaturze T L +50K, spuszcza się na płytę wykonaną z materiału izolacyjnego cieplnie, po której spływa i w tym czasie od góry chłodzi się go do temperatury w zakresie (T L ; T S ) do stanu półciekłej granularnej zawiesiny fazy pierwotnej w fazie ciekłej, a następnie chłodzi się do temperatury poniżej temperatury solidus, w której krystalizuje w postaci wlewka. Urządzenie do wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i stopów wysokotopliwych, według wynalazku zbudowane jest z kadzi pośredniej wyposażonej w system pomiaru temperatury ciekłego metalu i w system regulacji wydatku ciekłego metalu, pod jej otworem spustowym zainstalowana jest pochyła płyta z izolacyjnego cieplnie materiału ognioodpornego z uformowaną wzdłużną rynną, zakończoną w dolnej części w wyposażoną w termoparę komorą krystalizacji semi-solid i połączoną z nią komorą krystalizacji i formowania wlewka, a nad końcową dolną częścią rynny, przed komorą krystalizacji semi-solid, w pionowej płaszczyźnie symetrii rynny usytuowane jest koło chłodzące posiadające regulację prędkości obrotowej a zainstalowane jest w taki sposób, że obręcz koła chłodzącego znajduje się we wnętrzu rynny na wysokości mniejszej niż ½ wysokości obręczy koła, przy czym koło chłodzące obraca się zgodnie z kierunkiem płynięcia strugi metalu i posiada termoparę do mierzenia temperatury medium chłodzącego, która to termopara jest sprzężona z układem sterowania, z kolei do układu sterowania podłączona jest termopara komory krystalizacji semi-solid oraz system pomiaru temperatury ciekłego metalu i system regulacji wydatku metalu kadzi pośredniej. Koło chłodzące osadzone jest na piaście, w której znajduje się wewnętrzny kanał przedzielony przegrodą na kanał doprowadzający i kanał odprowadzający medium chłodzące, z tym, że kanały w piaście łączą się z odpowiadającym im kanałem doprowadzającym i odprowadzającym medium chłodzące z kanału wewnętrznego w obręczy koła chłodzącego. W sposobie i urządzeniu według wynalazku wykorzystane jest zjawisko polegające na szybkim zarodkowaniu fazy pierwotnej stopu pod wpływem intensywnego chłodzenia płynącej strugi ciekłego metalu dzięki czemu istnieją warunki sprzyjające dla procesu wzrostu dużej ilości trwałych zarodków fazy pierwotnej równomiernie rozłożonych w strefie o temperaturze w zakresie (T L ; T S ), co w połączeniu z ruchem metalu zabezpiecza przed krystalizacją dendrytyczną. W sposobie i urządzeniu według wynalazku struga metalu ciekłego płynie po materiale o dobrych cieplnych właściwościach izolacyjnych, a wymuszone intensywne chłodzenie przebiega pod wpływem zetknięcia się górnych warstw strugi metalu z kołem chłodzącym, chłodzonym w sposób kontrolowany i obracającym się w kierunku strugi. Trwałe zarodki krystalizacji są w ruchu do momentu powstania strefy semi-solid zawierającej zawiesinę tiksotropową w komorze krystalizacji semi-solid, skąd metal w postaci tej zawiesiny wpływa do krystalizatora i dalej już zestalony i po ochłodzeniu, wyciągany jest w sposób ciągły w postaci wlewka, do chwili zakończenia procesu zasilania strugi ciekłym metalem. Taki proces przyjmuje cechy stanu ustalonego polegającego na ustalonej szybkości wytwarzania zawiesiny semi-solid dzięki sterowaniu temperaturą wyjściową metalu ciekłego, wydatkiem wypływającego metalu, parametrami chłodzenia strugi metalu, na które składają się szybkość obrotowa koła chłodzącego i wydatek przepływu wody chłodzącej koło. Szybkość wyciągania wlewka jest pochodną szybkości procesu wytwarzania zawiesiny semi-solid. Układ sterowania oparty jest o ciągłą kontrolę temperatury metalu w strefie semi-solid. Wlewki stanowią półprodukt wyjściowy dla procesu kształtowania przedmiotów o strukturze tiksotropowej poprzez kucie, prasowanie lub odlewanie. Przykład sposobu wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, z zwłaszcza z żeliwa i ze stopów wysokotopliwych według wynalazku. Żeliwo szare podeutektyczne o zawartości 2,92% mas. C; 1,89% mas. Si o temperaturze 1305 C, spuszcza się w sposób kontrolowany na płytę z materiału ognioodpornego o dobrych cieplnych właściwościach izolacyjnych, wykonanej w postaci kształtki z utwardzonej waty mineralnej, po której spływa i w tym czasie od góry jest chłodzone do temperatury 1190 C do stanu półciekłej granularnej zawiesiny fazy pierwotnej w fazie ciekłej, za pomocą obracającego się koła chłodzącego w kie-

4 4 PL B1 runku stycznym do kierunku płynięcia strugi żeliwa a następnie metal przechodzi w fazę semi-solid i krystalizuje w postaci wlewka. Wlewek otrzymany sposobem według wynalazku ma strukturę granularną austenitu w otoczeniu eutektyki, ma zatem cechy tiksotropowe, przy czym udział fazy pierwotnej austenitu, postać i dyspersja jego wydzieleń są jednorodne na całej długości wlewka. Przykład urządzenia do wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i ze stopów wysokotopliwych w przykładzie wykonania przedstawiony jest na rysunkach, na fig. 1 schemat urządzenia w postaci rzutu, na fig. 2 schemat urządzenia w postaci przekroju A-A według rysunku fig. 1 i na fig. 3 przykład budowy koła chłodzącego. Urządzenie do wykonywania wlewka metalowego o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i stopów wysokotopliwych, zbudowane jest z kadzi pośredniej 1 wyposażonej w system pomiaru temperatury T Wy ciekłego metalu 2 i w system regulacji wydatku W ME metalu 3, pod jej otworem spustowym zainstalowana jest pochyła płyta 4 z izolacyjnego cieplnie materiału ognioodpornego z uformowaną wzdłuż jej długości rynną 5, zakończoną w dolnej części w wyposażoną w termoparę 6 komorę krystalizacji semi-solid 7 i połączoną z nią komorą krystalizacji i formowania 8 wlewka 9, a ta połączona jest z mechanizmem wyciągania 10 wlewka 9. Nad końcową dolną częścią pochyłej płyty 4, przed komorą krystalizacji semi-solid 7, w pionowej płaszczyźnie symetrii rynny 5 zainstalowane jest koło chłodzące 11, w taki sposób, że obręcz 12 koła chłodzącego 11 znajduje się we wnętrzu rynny 5 pochyłej płyty 4 na takiej wysokości, że częściowo jest zanurzona w strumieniu płynącego ciekłego metalu 13. Koło chłodzące 11 obraca się w kierunku płynięcia strugi ciekłego metalu i posiada termoparę 14 do mierzenia temperatury T WO medium chłodzącego. Termopara 14 jest sprzężona z układem sterowania 15. Do układu sterowania 15 podłączona jest termopara 6 komory krystalizacji semi-solid 7 oraz system pomiaru temperatury T Wy ciekłego metalu 2 i system regulacji wydatku metalu W ME kadzi pośredniej 3. Koło chłodzące 11 posiada napęd o regulowanej szybkości obwodowej N K sprzężony z układem sterowania 15. Koło chłodzące 11 osadzone jest na piaście 16 w postaci rury z wewnętrzną przegrodą 17 oddzielającą w środku kanał doprowadzający 18 od kanału odprowadzającego 19 medium chłodzące, które są połączone z odpowiadającymi im kanałami doprowadzającymi 20 medium chłodzące z piasty 16 do kanału wewnętrznego 21 w obręczy 12 koła 11 oraz z kanałami odprowadzającymi 22 medium chłodzące z kanału wewnętrznego 21 w obręczy 12 koła chłodzącego 11. Urządzenie zaopatrzone jest w układ sterowania 15 na podstawie pomiaru temperatury T WY 2 wylewanego ciekłego metalu i pomiaru temperatury metalu T S-S 6 w obszarze strefy semi-solid w środkowym punkcie komory 7 krystalizacji semi-solid. Reguluje się szybkość wyciągania N R wlewka 9 będącą pochodną szybkości procesu wytwarzania zawiesiny semi-solid 7, który zależy od rodzaju metalu 13, od temperatury przegrzania równej założonej wartości T WY i od warunków chłodzenia determinowanych parametrami: szybkością obrotów N K koła 11 i wydatkiem przepływu medium chłodzącego W WO oraz temperaturą medium chłodzącego T WO. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wykonywania metalowego wlewka o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i stopów wysokotopliwych, polegający na spuszczaniu ciekłego metalu na pochyłą płytę, znamienny tym, że stopiony metal o temperaturze przegrzania powyżej temperatury likwidus T L, korzystnie o temperaturze T L +50K, spuszcza się na płytę wykonaną z materiału izolacyjnego cieplnie, po której spływa i w tym czasie od góry chłodzi się go do temperatury w zakresie (T L ; T S ) do stanu półciekłej granularnej zawiesiny fazy pierwotnej w fazie ciekłej, a następnie chłodzi się do temperatury poniżej temperatury solidus, w której krystalizuje w postaci wlewka. 2. Urządzenie do wykonywania wlewka metalowego o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i stopów wysokotopliwych wyposażone w pochyłą płytę z rynną, znamienne tym, że zbudowane jest z kadzi pośredniej (1) wyposażonej w system pomiaru temperatury (2) ciekłego metalu i w system regulacji wydatku metalu (3), pod jej otworem spustowym zainstalowana jest pochyła płyta (4) z izolacyjnego cieplnie materiału z uformowaną wzdłuż jej długości rynną (5), zakończoną w dolnej części w wyposażoną w termoparę (6) komorą krystalizacji semi-solid (7) i połączoną z nią komorą krystalizacji i formowania (8) wlewka (9), a nad końcową dolną częścią płyty (4), przed komorą krystalizacji semi-solid (7), w pionowej płaszczyźnie symetrii rynny (5) usytuowane jest koło chłodzące (11) posiadające regulację prędkości obrotów, a zainstalowane w taki sposób, że obręcz (12) koła chłodzącego (11)

5 PL B1 5 znajduje się we wnętrzu rowu (5) rynny (4) na wysokości mniejszej niż ½ wysokości obręczy (12) koła chłodzącego (11), przy czym koło chłodzące (11) obraca się w kierunku płynięcia strugi ciekłego metalu (13) i posiada termoparę (14) do mierzenia temperatury medium chłodzącego, która to termopara (14) jest sprzężona z układem sterowania (15), z kolei do układu sterowania (15) podłączona jest termopara (6) komory krystalizacji semi-solid (7) oraz system pomiaru temperatury ciekłego metalu (2) i system regulacji wydatku metalu (3) kadzi pośredniej (1). 3. Urządzenie do wykonywania wlewka metalowego o strukturze tiksotropowej, według zastrz. 2, znamienne tym, że koło chłodzące (11) osadzone jest na piaście (16), w której znajduje się wewnętrzny kanał przedzielony przegrodą (17) na kanał doprowadzający (18) i kanał odprowadzający (19) wodę, z tym, że kanał doprowadzający (18) i kanał odprowadzający (19) w piaście (16) łączą się odpowiednio z kanałem doprowadzającym (20) i odprowadzającym wodę (22) z kanału wewnętrznego (21) w obręczy (12) koła chłodzącego (11). Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)