Способ изготовления тел вращения методом послойной кристаллизации и установка для его осуществления

(5) 5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт электрона ки им, Е. О, Пато узыка и Н. А. Горба е намораживанием.(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к спецэлектрометаллургии и касается получения тел вращения методом послойной кристаллизации расплава на затравку, Целью изобретения является улучшение качества намораженного на затравку слоя за счет измельчения его кристаллической структуры и равномерного распределения в нем упрочняющей фазы, а также получения заготовки в виде тонких дисков и цилиндрических заготовок. Способ изготовления тел вращения методом послойной кристаллизации включает введение вращающейся вокруг собственной оси 2 затравки 1 в контакт с расплавом 3 и намораживание слоя 4 расплава на затравку. Поставленная цель достигается за счет того, что затравке 1 сообщают колебательные движения с частотой, превышающей по величине боле чем в 180 раз частоту вращения заготовки, а амплитуду колебаний устанавливают из соотношения 0,025А0,1, где А - амплитуда колебаний, мм, Колебательные движения совершают вдоль или поперек оси 2 вращения затравки 1. Кроме того, одновременно с колебаниями затравки приводят в колебательное движение расплав 3 металла, поичем колебания затравки 1 ирасплава устанавливают в противофазе. Способ реализуется на установках для получения заготовок в виде тонких дисков и в виде цилиндров. Установка для изготовления тонких дисков снабжена возбудителем колебаний, на исполнительном штоке которого установлен с воэможностью вращения при контактировании с боковой поверхностью затравки ролик. Возбудитель колебаний установлен на кольцевой направляющей, что позволяет располагать исполнительный шток под заданным углом к затравке 1. Установка для изготовления заготовок в виде цилиндров снабжена тремя вибраторами, два из которых и вводят в колебательное движение затравку в горизонтальном и вертикальном направлениях, а третий при-водит в колебания расплав металла в тигле, При этом затравка размещена на упругих элементах. 2 с. и 9 з,п. ф-лы, 4 ил.50 Изобретение относится к специальнойэлектрометаллургил, в частности к получению тел вращения методом послойной кристаллизации расплава на затравку,Целью изобретения является улучшение качества намороженного на затравкуслоя эа счет измельчения его кристаллической структуры и равномерного распределения в нем упрочняющей фазы, а такжеполучение заготовок в виде тонких дисков ицилиндрических заготовок.На фиг. 1 изображена схема изготовления тел вращения методом послойной кристаллизации расплава на затравку; на фиг.2 -схема установки для изготовления тел вращения методом послойной кристаллизациипри получении заготовок в виде тонких дисков; на фиг. 3-то же, вид сверху; на фиг, 4 -схема установки для получения цилиндрических заготовок,Способ осуществляют следующим образом фиг. 1).Зэтравку 1, вращающуюся вокругсобственной оси 2, приводят в колебательноедвижение с частотой колебаний, превышающей по величине более чем в 180 раз частоту вращения затравки, а амплитудуколебаний устанавливают по величине изсоотношения 0,025А0,1, где А - амплитуда колебаний. В этом случае амплитудаколебаний больше поперечного размеракристалла, растущего от рабочей поверхности затравки. Затем затравку 1 вводят всоприкосновение с расплэвом 3, в результате чего к затравке пристает расплав. Приповороте затравки в направлении ее вращения приставший металл будет за ней тянуться за счет капиллярных сил. Расплавленныйметалл поднимется выше уровня зеркаларасплава и при попадании в область болеенизкой температуры будет охлаждаться,кристализуясь на периферийной части затравки за счет роста столбчатых кристаллитов, образуя намороженный слой 4 металла.При колебательном движении вращающейся затравки с малой амплитудой и большой частотой происходит увеличение числацентров кристаллизации в затвердевшем назатравке слое расплава за счет локального(в зоне контактирования затравки с жидкимминералом) перемешивания жидкоо материала, улучшения перемещения атомов приобразовании зародышей в переохлажденном расплаве, Кроме того, в зоне соприкос новения затравки с расплавом происходитлокальное разрушение фронта кристаллов,растущих от рабочей поверхности затравки,в результате чего появляющиеся обломкитвердой фазы становятся центрами кристаллиза 1 ии. 5 10 15 20 25 30 35 40 Повышению дисперсности обломков твердой фазы способствует возбуждение колебательных движений расплава, причем с увеличением разности фаз колебаний затравки и расплава уровень дисперсности обломков твердой фазы повышается и при разности Лрфаз двух колебаний, равной л;" принимает максимальное значение, В этом случае происходит взаимное гашение волн колебаний, амплитуды их вычитаются. Этому препятствует непрерывный подвод энергии, возбуждающей колебания, В результате обломки твердой фазы еще боле измельчаются, т,е, получаются мелкодисперсные частицы обломков твердой фазы, а следовательно, максимальное увеличение центров кристаллизации.Нижняя граница амплитуды колебаний ограничена величиной 0,025 мм, верхняя граница амплитуды колебаний составляет 0,1 мм и определяется параметрами процесса послойной кристаллизации, когда кристаллизация каждого единичного слоя закристаллизованного на затравке материала должна осуществлятся с максимально большой скоростью, что существенно повышает его качество, С другой стороны амплитуда колебаний накладывает ограничение на величину толщины единичного кристаллизуемого на затравке толщины слоя, который не должен превышать в данном случае 0,1 мм, При увеличении толщины единичного слоя материала на затравке свыше 0,1 мм проявляется эффект градиента температуры по толщине слоя при его кристаллизации на затравке, т,е. изменение условий кристаллизации внутренних и наружных поверхностей слоя, что, в свою очередь, нарушает одинаковость микроструктуры по толщине слоя.Величина частоты колебаний затравки также сказывается на процессе послойной кристаллизации материала. С одной стороны, чем больше частота колебаний, тембольше нарастает количество обломков твердой фазы. С другой стороны, т.к, процесс послойной кристаллизации материала осуществляется на вращающуюся затравку, когда в соприкосновение с жидким металлом приходят новые зоны поверхности затравки, то определяющим является время контактирования данной зоны поверхности затравки с расплавом, за это время должно произойти локальное размельчение кристаллов, растущих от данной зоны поверхности затравки. Нижняя граница частоты колебаний, при которой уже ощущается эффект, колебаний затравки, составляет 50 гЦ, 1701752Под влиянием колебательного движения затравки ускоряется перемещение атомов при образовании зародышей вохлаждаемом локальном объеме материала, одновременно с этим происходит разруше ние фронта растущих кристаллов, обломки которых будут являться центрами кристаллизации. Увеличение числа центров кристаллизации достигается за счет повышения интенсивности воздействия энергии 10 колебаний. Колебательные движения за-. травки совершают в направлении оси вращения затравки или в направлении, перпендикулярном к оси вращения затравки. Наиболее эффективное воздействие ко лебаний затравки на ломку растущих кристаллитов оказывают колебания, направленные вдоль оси затравки, т.е. направленные перпендикулярно направлению роста кристаллов. В некоторых случаях, при произвольном росте кристаллов, наиболее эффективны колебательные движения затравки одновременно в двух направлениях - параллельно и перпендикулярно к оси вращения затравки.Увеличению числа центров кристаллизации путем измельчения обломков твердой фазы криталлов, а также более активному перемешиванию жидкого материала способствует введение в колебательное движение расплава материала.Регулировкой разности фаз колебаний затравки и расплава материала возможно регулировать степень дисперсности обломков кристаллов числа центров кристаллизации, что весьма существенно при повышенных скоростях введения техпроцесса послойной кристаллизации, материала на затравку.Установка для изготовления тел вращения в виде тонких дисков (фиг, 2 и 3) содержит вакуумную камеру 5, механизм 6 вращения горизонтально расположенного водоохлаждаемого шпинделя 7, установленного в вакуумном уплотнении 8 и служащего для закрепления затравки 1, систему 9 электронно-лучевого нагрева, тигель 10 с механизмом 11 перемещения, выполненным в виде соединенной с приводом посредством зубчатых колес 12 и 13 винтовой передачи 14, исполнительный шток 1 б.которой вводится в вакуумную камеру 5 на уплотнении 16 и несет платформу 17. Тигель 10 с расплавом материала размещен на платформе 17 на упругихэлементах 18 и соединен посредством шарнира 19 с испол-, нительным штоком 20 вибратора 2,1, Шток 20 входит в вакуумную камеру 5 через вакуумное уплотнение 22. Установка также снабжена возбудителем 23 вынужденных 20 253040 4550 55 иэгибных колебаний затравки 1, на исполнительном штоке 24 которого размещен ролик 25, установленный с возможностью вращения в вилке 26 при контактировании с боковой поверхностью затравки 1, а корпус возбудителя 23 вынужденных иэгибных колебаний размещен с возможностью перемещения по кольцевой направляющей 27 на зубчатом секторе 28, кинематически связанном с шестерней 29 привода 30 перемещения, вал 31 которого с закрепленной на нем шестерней 29 установлен на вакуумном уплотнении 32. Управление работой вибраторов 21 и возбудителей 23 вынужденных изгибных колебаний затравки 1 осуществляется блоком 33 управления.Установка для изготовления массивных цилиндрических заготовок (фиг. 4) содержит вакуумную камеру 34, механизм 35 вращения горизонтально расположенного шпинделя 36, тигель, 37 с механизмом перемещения, включающим собственно привод 38, вал 39 которого снабжен винтовой передачей, состоящей из гайки 40 и винта 41, перемещающего стакан 42, скрепленный с тиглем 37. Стакан 42 входит в камеру 34 через уплотнение 43. Внутри стакана 42 размещен вибровозбудитель 44, исполнительный шток которого связан с толкателем 45, установленным в днище тигля 37 с воэможностью возвратно-поступательного перемещения,Установка также снабжена валиком 46 для закрепления на шпонке 47 затравки 48,Валик 46 скреплен со шпинделем 36 посредством шарнирного соединения 49, например карданного вала, подпружинен в осевом направлении упругим элементом 50, закреплен с помощью гаек 51 в подшипниках 52 и установлен на четырех опорах 53, подпружиненных в верт;кальном направлении упругими элементами 54, Опоры 53 связаны между собой скобой 55.Кроме того, установка снабжена системой 56 электронно-лучевого нагрева и двумя вибровозбудителями 57 и 58, исполнительные штоки 59 и 60 которых кинематичски связаны посредством роликов 61 и 62 с валиком 46, причем исполнительный шток 59 одного вибровоэбудителя 57, расположенного на оси валика 46, размещен с возможностью непосредственного контактирования с валиком 46, а исполнительный шток 60 другого вибровозбудителя 58 установлен с возможностью контактирования со скобой 55 опор 53 для валика 46.Установка параметров работы вибровоэбудителей производится с помощью блока управления (на фиг, 4 не показан), Вибровозбудители 57 и 58 защищены отдействия теплового излучения, экранами 63 и 64.Установка для изготовпейия тел вращения в виде тонких дисков работает следующим образом (см, фиг, 2 и 3)., 5Исходный материал, используемый дпя послойной кристаллизации, на затравке 1 размещается в тигле 10, Затравка 1 жестко закрепляется на шпинделе 7, при этом ролик 25 возбудителя 22 вынужденных изгиб ных колебаний вводится в контакт с затравкой 1, после чего камера 5 вакуумируется о достижения вакуума порядка 1 10 2 - 610 Па. Включением системы 8 электронно-лучевого нагрева исходный материал в 15 тигле 10 подвергается плавке, одновоемен-но осуществляется нагрев затравки 1.Включением механизма б вращения шпинделя 7 затравка 1 приводится во вращение вокруг собственнойоси и путем 20 включения механизма 11 перемещения тиг ля 10 вводится в соприкосновение с жидким материалом, в результате чего на торцевой поверхности затравки 1 начинается кристаллизация материала. Одновременно с 25 этим включаются возбудитель,23 и вибратор 21. Возбудитель 23 посредством обкатывающегося по затравке ролика 25 генерирует в затравке 1 вынужденные изгибные колебания с малои амплитудой и высокой часто той, при этом тонкостенная затравка 1 "звенит". Направление распространения колебаний затравки возможно изменять путем изменения вектора силы возбудителя 23 по отношению к оси вращения затравки 1, 35 В случае расположения исполнительного штока 24 возбудителя 23 под углом к оси вращения затравки 1 в последней возникают продольные, направленные перпендикулярно к оси вращения колебания и 40 поперечные колебания, направленные вдоль оси вращения затравки 1. Регулировка соотношения интенсивностей продольных и поперечных колебаний, устанавливается путем размещения возбудителя 23 под 45 заданным углом к оси вращения затравки 1. Так, при расположении возбудителя параллельно оси вра.цения затравки 1 в последней возбуждаются только поперечные колебания. Режим колебаний затравки 1(со отношение интенсивностей продольных и поперечных колебаний) подбирается опытным путем и зависит от материала затравки, ее толщины и материала кристаллиэующихся слоев. 55Вибратор 21 приводит тигель 10 в колебательное движение, чему способствует гибкое соединение тигля 10 с исполнительным штоком 20 вибратора посредством карданного соединения, а также гибкое соединение тигля 10 с подвижной платформой 17 посредством упруп,х элементов 18, В результате высокочастотных колебательных движений тигля 10 расплав материала в нем также приводится в колебательное движение с большой частотой, при этом на поверхности расплава возникают "стоячие" волны.Величины амплитуд и частот колебаний затравки и расплава материала устанавливаются с помощью блока 32 управления со встроенным задающим генератором,Расположение возбудителя 23 под заданным углом осуществляется перемещением зубчатого сектора 38 по направляющей 27 в результате вращения зубчатой шестерни 29 от привода 30,В результате введения затравки 1 и расплава материала в тигле 10 в колебательные движения одновременно с кристаллизацией материала на затравке 1 происходит увеличение числа центров кристаллизации, благодаря чему улучшается микроструктура закристаллиэованного на затравке материала.Установка для изготовления массивных цилиндрических заготовок (фиг, 4) работает следующим образом,Исходный материал, используемый для послойной кристаллизации на затравке 48, размещается в тигле 47. Затравка 48 устанавливается на шпонке 47 на валике 16, который закрепляется в четырех опорах 52 посредством гаек 51, устанавливается на упругих элементах 54 и соединяется со шпинделем 36 посредством шарнирного соединения 49. Ролики 61 и 62 вибровозбудителей 57 и 58 вводятся в контактирование с валиком 46 и скобой 55, после чего камера 34 вакуумируется до остаточного давления порядка 1 10 . - 6 10 Па. Включением системы 56 электронно-лучевого нагрева производится плавка исходного материала с образованием расплава 65 и гарнисажа 66 и нагрев затравки 48,Включением механизма 35 вращения шпинделя 36 валик 46 совместно с затравкой 48 приводится во вращение. С помощью привода 38 тигель 37 перемещается в направлении затравки 48 до соприкосновения затравки с поверхностью расплава материала, в результате чего начинается на торцевой поверхности затравки 18 кристаллизация слоя 67 материала. Одновременно с этим включаются вибровозбудители 57 и 58, приводящие в колебание затравку 48 с большой частотой и малой амплитудой, в так называемый режим "дрожания". При этом ролики 61 и 62 исполнительных штоков 50 и 60 вибровозбудителей57 и 58 обкатываются соответственно по торцу валика 46 и по скобе 55. Колебательные движения затравки 48 приводят к увеличению числа центров кристаллизации кристаллиэующегося матсриала, благодаря чему улучшается микроструктура закристаллизованного на затравке 48 слоя 67 материала.В случае необходимости увеличения степени дисперсности центров кристаллизации применяется вибровозбудитель 44, приводящий в колебательное движение расплав 15 материала в тигле 37 путем "обстукивания" толкателем 45 корочки гарни- сажа 66 с большой частотой и малой амплитудой, вследствие чего на поверхности расплава 65 возникают высокочастотные стоячие волны,Наибольший эффект достигается установкой колебаний расплава 65 материала в противофазе с колебаниями затравки 48.П р и м е р. Исходный материал - сталь Р 6 М 5, предназначенный для послойной кристаллизации, помещался в прямоугольный водоохлаждаемый медный тигель установки УЭ, оснащенной вибраторами мощностью 0,2 кВт - для колебаний затравки и 0,8 кВт - для колебаний оасплава в тигле. Установка УЭявляется штатной установкой ИЭС им, Е.О, Патона и используется для отработки технологиче"ких процесссв. Затравка в виде диска с наружным диаметром 180 мм и толщиной 4 мм, изготовленная из стали 45, эакоеплялась на торце горизонтального шпинделя механизма перемещения, Камера вакуумировалась ро величины остаточного давления 1 10 61.0 Па, затем осуществлялась плавка металла в тигле и с помощью механизма перемещения затравка размещалась над расплавом металла. Одновременно с этим затравка приводилась во врав.;ение и нагрео валась до температуры порядка 870 С, Скорость вращения затравки составляла 16 и 20 об/мин. Одновременно в вращением за.травке с помощьо вибратора сообщались колебания частотой 40, 50, 60 и 100 Гц и амплитудой 0,01; 0,05; 0,1 и 0,2 мм. Затем перемещением тигля в вертикальном направлении затоавка вводилась в соприкосновение с жид,им металлом, в результате чего производилась послойная кристаллизация металла на затравку. При достижении толщины закристаллизованного слоя металла на затравке, равной 8 мм, процесс прекращался.Затравку разрезали на части и,по шлифам под микроскопом изучали микроструктуру закристаллизованного слоя. Кроме того, производили замеры твердого слбя. Врезультате установлены пределы частоты иамплитуды колебаний, соответствующиеполученной мелкодисперсной структуре:5 нижний предел частоты колебаний соответствовал 50 Гц при частоте вращения затравки 16 об/мин и 60 Гц при частоте вращениязатравки 20 об/мин, а верхний предел амплитуды колебаний в обоих случаях состав 10 лял 0,1 мм.Было изучено влияние колебаний расплава металла на качество крристаллизующегося материала, Частота колебанийсоставляла 50 Гц, амплитуда 0,05 и 0,1 мм,15 Результаты исследований показали, что колебачия расплава металла в дополнение кколебаниям затравки улучшают структурузакристаллизованного слоя. Наилучшаямикроструктура соответствовала режиму,20 когда колебания затравки и колебания расплава материала находились в противофазе,Формула изобретения1. Способ изготовления тел вращения25 методом послойной кристаллизации, включающий введение вращающейся вокруг собственной оси затравки в контакт срасплавом и намораживание слоя расплавана затравку, о тл и ч а ю ци й с я тем, что,30 с целью улучшения качества намороженного слоя за счет измельчения его крист ллической структуры и равномерногораспределения в нем упрочняющей фазы,затравке сообшают колебательные движе 35 ния с часто -ой колебаний, превышающей повеличине более чем в 180 раз частоту вра,:цения заготовки, а амплитуду колебаний устанавл.;вают из, соотношения 0,025 А 0,1,где А - амплитуда колебаний в мм.40 2.Способпоп.1, о;личающийсятем, что колебательные движения совершают в направлении оси вращения затравки,3. Способ пои. 1, о тл и ч а ю щи й с ятем, что колебательные движения соверша 45 ют в направлении, перпенвикцлярном к осивра.цения затравки,4, Способ по и. 1, о т л и ч а ю а и й с ятем, что колебательные движения совершают одновременно в двух направлениях -50 параллсльно и перпендикулярно к оси вращения затравки,5, Способ по пп. 1 - 4, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что одновременно с колебаниямизатравки приводят в колебательное движе 55 ние расплав металла,6. Способ по пп. 1-5, о т л и ч а ю щ и йс я темчто колебания затравки устанавливают в противофазе с колебаниями расплава металла, 1701752 127. Установка для изготовления тел вращения методом послойной кристаллизации, содержащая вакуумную камеру, механизм вращения затравки с горизонтально расположенным водоохлаждаемым шпинделем 5 для закрепления затравки, тигель с механизмом вертикального перемещения и систему электронно-лучевого нагрева, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью улучшения качества намороженного слоя за счет из мельчения его кристаллической структуры и равномерного распределения в нем упрочняющей фазы, она снабжена устройством вынужденных кблебаний затравки.8. Установка по и. 7, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью получения заготовок в виде тонких дисков, устройство вынужденных колебаний затравки выполнено в виде взаимодействующего с затравкой ролика, связанного посредством горизонтально ус тановленного штока с источником колебаний, установленным с возможностью перемещения по дуге окружности на направляющей с зубчатым подвижным дугообразным сектором, кинематически 25 связанным с шестерней привода перемещения зубчатого сектора.9, Установка по и, 8, о т л и ч а ю щ а яся тем, что она снабжена вибратором, шарнирно соединенным с тиглем.10.Установка поп.7, отл ича ю щаяс я тем, что, с целью получения цилиндрических заготовок, устройство вынужденных колебаний затравки выполнено в виде подпружиненного в осевом направлении валика для закрепления затравки, соединенного со шпинделем посредством шарнирного соединения, и двух вибровозбудителей со штоками, расположенных один на оси валика, а другой перпендикулярно к нему, причем валик установлен с возможностью вращения на подпружиненных в вертикальном направлении опорах, закрепленных в камере, а штоки вибраторов кинематически связаны с валиком.11. Установка по п; 10, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что она снабжена толкателем возвратно-поступательного вертикального перемещения тигля, установленным в днищетигля и связанным с вибровозбудителем.1701752 Дзигоеентал Составителэктор М.Циткина Техред М,М Корре М.Шароши Заказ 4513 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открцтиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5,КНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101