Способ получения слитков

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Купченко Геннадий Владимирович Майонов Александр Владимирович Поко Ольга Александровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения слитков, включающий вакуумную плавку металла в печи, разливку в атмосфере защитного газа и кристаллизацию расплава, отличающийся тем, что в качестве защитного газа используют азот, который после расплавления металла подают в камеру печи до давления 0,1 МПа, и выдерживают расплав в газовой среде 3-5 мин, разливают его в подогретый кокиль, а кристаллизацию осуществляют путем вывода кокиля из зоны нагрева со скоростью 40-50 см/ч.(56)1585066 1, 1990.1497860 1, 1996.2026135 1, 1995. Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения слитков, и может быть использовано при изготовлении отливок из цветных металлов. При изготовлении слитков основные дефекты связаны с наличием пористости, газовых пузырей, микротрещин, несплошностей, неметаллических включений, а также неоднородности химического состава по высоте слитка. Известные способы получения слитков включают нагрев металла в печи до расплавления, выдержку в расплавленном состоянии для осуществления перемешивания расплава, заливку расплава в форму, кокиль или изложницу 1. Для уменьшения или исключения окисления металла плавку часто проводят в вакууме, либо в защитной атмосфере, чаще всего в среде инертного газа. Однако применение защитной атмосферы не всегда устраняет отмеченные выше дефекты слитка. Затвердевание металла в форме (кокиле, изложнице) происходит от стенок к центру отливки, и кроме усадочной раковины в теле отливки присутствуют дефекты. Поэтому прогрессивные литейные технологии предусматривают регламентирование режима охлаждения. Однонаправленный отвод тепла от отливки обеспечивает оттеснение газовых пузырей, раковин, несплошностей в прибыльную часть отливки, которая после затвердевания и охлаждения отрезается. Практика показывает, что для отливок, применяемых при изготовлении ответственных изделий с особыми 6638 1 требованиями по плотности и чистоте металла, качество слитков даже после использования в отдельности вакуумного литья, защитной атмосферы, регламентированного режима охлаждения оказывается неудовлетворительным 2. Это делает необходимым привлечение при изготовлении отливок специальных приемов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ получения слитков 3, включающий плавку в атмосфере инертного газа, разливку металла при определенном давлении инертного газа в заливочной камере и одновременной подаче газа под давлением через дно изложницы в металл (барботаже расплава). Указанный способ имеет следующие недостатки сложность в реализации в связи с необходимостью проведения барботажа металла при строго регламентируемом давлении инертного газа использование в качестве защитной среды достаточно дорогих инертных газов низкий уровень выхода годной продукции (49-59 ). Задачей настоящего изобретения является повышение выхода годного в процессе получения высококачественных слитков. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе получения слитков,включающем вакуумную плавку металла в печи, разливку в изложницу в атмосфере защитного газа и кристаллизацию, в качестве защитного газа используют азот, который после расплавления металла подают в камеру до давления 0,1 МПа, расплав выдерживают в газовой среде 3-5 мин, после чего кокиль удаляют из зоны нагрева со скоростью 4050 см/ч. Предлагаемый способ имеет следующие преимущества по сравнению с известными. В качестве газовой среды используют менее дорогой газ - азот. Способ значительно более прост в осуществлении отсутствует продувка газа через расплав (барботаж). За счет однонаправленного регламентированного охлаждения металла дефекты оттесняются в прибыльную часть слитка, выдержка и заливка металла в кокиль в среде азота существенно снижают количество оксидных пленок, вносимых в расплав в результате турбулентного перемещения металла при литье. Комплекс указанных действий обеспечивает плотность материала 99 , выход годного до 95-98 , что в 1,72 выше, чем при известном способе. Применение скорости вывода изложницы из зоны нагрева выше 50 см/ч не обеспечивает эффект формирования плотной отливки, т.к. примеси, газовые включения, пузыри не успевают оттесниться в прибыльную часть слитка. Использование скорости менее 40 см/ч увеличивает длительность процесса, не приводя к дальнейшей дегазации слитка. Замена в качестве газовой среды азота на инертный газ (аргон, гелий) не повышает качество слитков и приводит к существенному удорожанию продукции. Выдержка расплава в газовой среде длительностью менее 3 мин недостаточна для полного удаления газовых включений, выдержка более 5 мин не приводит к возрастанию плотности слитка. Использование давления азота в камере ниже 0,1 МПа не обеспечивает достаточной насыщенности атмосферы молекулами азота, препятствующего окислению струи расплавленного металла. Превышение заявляемого значения давления газовой атмосферы не приводит к улучшению качества слитка. В качестве примера осуществлено изготовление отливок для получения катодовмишеней из высокочистого алюминия А 995 и его сплавов с кремнием, титаном, медью,используемых для металлизации пластин в электронной промышленности. Шихта расплавляется в плавильном тигле при температуре 730 С в вакууме не ниже 10-2 МПа. После расплавления металла температуру понижают до 690 С, плавильную камеру заполняют азотом до избыточного давления 0,1 МПа. После 3-минутной выдержки в газовой среде расплав переливают в разъемный графитовый кокиль, установленный в индукционный нагреватель и разогретый до 700 С. Графитовый кокиль с расплавом выводят из зоны нагрева со скоростью 45 см/ч. Охлажденный слиток удаляют из графитового кокиля, обрубают прибыльную часть. 2 6638 1 Положительной особенностью является возможность получения отливок различной формы и размеров за счет разъемных графитовых кокилей. Отливка по габаритам и конфигурации максимально приближена к готовому изделию (в нашем случае - к катодаммишеням), что исключает или максимально сокращает механическую обработку. Описанный способ является оптимальным среди всех опробованных, что подтверждается данными, приведенными в таблице. Результаты исследования отливок из высокочистого алюминия и его сплавов Градиент концентрации осАтмосфера в печиот- Способ полученовного легирующего эле- Выход годнопосле расплавлеливки ния отливки мента по высоте отливки,го,ния металла Известный Аргон 49-590,3-0,6 Предлагаемый 1 Вакуум 45-500,2 2 Аргон, гелий 95-980,2 3 Азот 95-980,2 Градиент концентрации элементов определялся путем проведения химического анализа проб, взятых в различных участках по высоте отливки. Выход годного оценивался по плотности отливки, определенной с использованием ультразвукового дефектоскопа УД 12. Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет в 1,7-2 раза повысить выход годной продукции при получении высококачественных слитков, а также обеспечить более высокую химическую однородность металла по длине отливки. Изобретение может быть применено при изготовлении ответственных отливок, к которым предъявляются повышенные требования по качеству металла, его чистоте, например, катодов-мишеней многофункционального назначения из сплавов различного химсостава, серебряных фильерных плавителей, используемых при производстве химволокна и др. Исключение импортных закупок только по указанным деталям, широко используемым в основном производстве НПО Интеграл, ПРУП Завод Транзистор (катоды), ОАО Могилевхимволокно (фильерные плавители) обеспечит годовую экономию валюты в размере более 20 тыс. долл. США. Источники информации 1. Дж. Мерфи А. Плавка и литье цветных металлов и сплавов. - М. Металлургиздат,1959. - С. 645. 2. Котлярский Ф.М. Формирование отливок из алюминиевых сплавов. - Киев Наукова думка, 1990. - С. 107. 3. А.с. СССР 1585066, МПК В 22 Д 27/00, 1990. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3