Устройство для получения литых композиционных материалов
Номер патента: U 3516
Опубликовано: 30.04.2007
Авторы: Шпилевский Эдуард Михайлович, Васильев Игорь Иванович, Стеценко Владимир Юзефович, Жданок Сергей Александрович, Марукович Евгений Игнатьевич
Текст
(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Шпилевский Эдуард Михайлович Васильев Игорь Иванович Марукович Евгений Игнатьевич Стеценко Владимир Юзефович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для получения литых композиционных материалов, состоящее из нагревательной печи, тигля, устройства диспергирования, устройства механического перемешивания, вертикального вала, привода, отличающееся тем, что устройство диспергирования и устройство механического перемешивания совмещены и выполнены в виде куполообразного диска, который установлен на торце вертикального вала, вал выполнен в виде концентратора с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, а привод выполнен в виде ультразвукового преобразователя.(56) 1. Новые материалы / Под ред. проф. Ю.С. Карбовского. - М. МИССИС, 2002. - С. 738. 2. Патент 2159823, МПК С 22 С 1/10, 21/00. Металлические композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами 2. 2002. 3. Патент 2186867, МПК С 22 С 1/10, 21/00. Способ и устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия. - 2002. Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к металлургии и обеспечивает равномерное распределение частиц наполнителя (например углеродных наночастиц) в металлических расплавах. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей, армированной дисперсными углеродными наночастицами, отличаются повышенными значениями модуля упругости и предела текучести, а также износостойкости 1. Армирующие частицы микронных размеров, введенные в алюминиевую матрицу, повышают износостойкость, увеличивают гетерогенность сплавов. Полученные материалы с такими свойствами применяются для изготовления некоторых деталей транспортных средств. К основным преимуществам их использования относятся уменьшение массы детали, снижение износа, увеличение срока службы. Однако при получении композиционных материалов на основе металлов и частиц более легкого наполнителя имеется ряд трудностей (всплытие и слипание частиц наполнителя в конгломераты на поверхности расплава и окисла, полное отсутствие самопроизвольного проникновения частиц наполнителя в расплав металла), вызванных физикохимическими особенностями материалов 1. Низкая плотность частиц наполнителя по сравнению с металлом. 2. Высокая коагулирующая способность частиц наполнителя. 3. Образование механически прочной и химически стойкой пленки окисла металла(например А 2 О 3) на поверхности при взаимодействии с кислородом воздуха. 4. Слабая смачиваемость расплавом металла частиц наполнителя (или полное отсутствие таковой). Предлагаемое техническое решение направлено на получение композиционных материалов на основе металлов и сплавов путем армирования их мелкодисперсными частицами легких материалов. Известно устройство по производству композиционных материалов 2, которое состоит из медного тигля, полого медного электрода, водоохлаждаемой медной плиты, питающей трубки, источника питания. Медный тигель поддерживается на графитовой плите,которая, в конечном счете, опирается на медную плиту. Газообразный аргон подается в тигель посредством питающей трубы. Жидкая металлокерамическая смесь и расплавленный флюс подаются в медный тигель, в котором находится затвердевший слиток. Тигель сконструирован таким образом, что внутри него можно обеспечить реакционную атмосферу, по существу не содержащую кислорода, влаги и азота. Нагрев камеры может производиться дуговым разрядом, резистивным или индукционным методами. Однако процессы получения композиционных материалов, связанные с удалением непроницаемой пленки окисла с поверхности, снижением поверхностной энергии расплава алюминия, образованием центров кристаллизации в материале матрицы, низкой смачиваемостью керамической фазы металлическим алюминием, а также диспергирование и равномерное распределение керамических частиц в расплаве металла достигаются не конструкцией устройства, а путем использования разнообразных реакций модифицирования,манипулирования составами сплава и флюсов, что позволяет использовать только один тип наполнителя. При получении композиционных материалов с другими наполнителями 2 35162007.04.30 необходим трудоемкий процесс подбора других реакций модифицирования и состава флюсов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) является устройство для получения литых композиционных материалов на основе алюминия 3, которое состоит из нагревательной печи, тигля для расплавленного металла, устройства диспергирования и перемешивания в виде диска импеллера по центру тигля, вертикального вала. В тигель, размещенный в нагревательной печи, загружают металл в твердом виде или заливают сплав. Устройство диспергирования и перемешивания в виде диска импеллера, закрепленного на валу, погружают в расплав и придают ему вращение от привода таким образом, что в расплаве образуется воронка. Одновременно из бункера через дозатор и питательную трубку на поверхность вращающегося диска подают материал - наполнитель в виде порошка. За счет центробежной силы частицы наполнителя диспергируют и внедряются в расплав, образуя суспензию. Недостатками такого устройства является неравномерность распределения частиц в сплаве по вертикали, т.к. центробежные силы перемещают частицы по горизонтали. Кроме того, более легкие частицы наполнителя, всплывая на поверхность, создают дополнительную неравномерность распределения. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение качества получаемого материала, увеличение однородности физических свойств по всему объему получаемого композиционного материала путем изменения конструкции устройства с целью увеличения дисперсности наночастиц наполнителя и улучшения равномерности распределения наночастиц наполнителя, имеющих меньшую плотность, чем основной материал. Задача решается следующим образом в устройстве для получения литых композиционных материалов, состоящем из нагревательной печи, тигля, устройства диспергирования, устройства механического перемешивания, вертикального вала, привода, согласно предлагаемому техническому решению, устройство диспергирования и устройство механического перемешивания совмещены и выполнены в виде куполообразного диска, который установлен на торце вертикального вала, вал выполнен в виде концентратора ультразвуковых колебаний с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, а привод выполнен в виде ультразвукового преобразователя. Результат достигается возможностью вертикального перемещения куполообразного диспергатора в расплаве с помощью концентратора, закрепленного на горизонтальной опоре, что препятствует всплытию частиц наполнителя, обеспечивает диспергирование(разбиение) конгломератов углеродных наночастиц, равномерное распределение наночастиц по всему объему расплава, сближение атомов металла и углерода до расстояний их химического взаимодействия. На фиг. 1 представлен общий вид устройства ультразвукового диспергирования и равномерного распределения наночастиц наполнителя в металлических расплавах. Предлагаемое устройство содержит печь 2, нагреваемую до заданной температуры, в которую помещен тигель 1 для расплавления металла или сплава 3 или поддержания расплава в жидком состоянии. По центру тигля на вертикальном валу, выполненному в виде концентратора 6, размещено устройство диспергатора и равномерного распределения частиц наполнителя в виде куполообразного диска 5. Концентратор 6 крепится на горизонтальной опоре 7, которая может перемещаться в вертикальном направлении. Источником ультразвуковых колебаний служит преобразователь 8, который питается от источника переменного напряжения 9. Предлагаемое устройство работает следующим образом. В тигель 1, помещенный в печке 2, нагретой до заданной температуры, загружают в твердом виде металл или сплав 3 или расплав в жидком состоянии. Углеродные наночастицы или частицы другого наполнителя 4 засыпаются в тигель до или после плавления основного металла на зеркало расплава высотой 15-20 мм. Слой наполнителя 4 с помощью куполообразного диска 5,3 35162007.04.30 концентратора 6, горизонтальной опоры 7 погружают в расплав. Диспергирование и равномерное распределение частиц наполнителя в расплаве металла производится под действием ультразвукового поля, излучаемого преобразователем 8. Равномерность распределения наполнителя по вертикали достигается применением возвратнопоступательных движений по вертикали концентратора 6, закрепленного на горизонтальной опоре 7, в расплаве металла 3. Стрелкой 10 указано направление движения концентратора. Равномерность распределения зависит от температуры расплава, мощности и времени ультразвукового воздействия. Оптимальные параметры подбираются экспериментально. Пример 1. Алюминий - УНТ. При плавке алюминия на воздухе образуется плотный, трудно проницаемый слой окиси алюминия на поверхности расплава. Присутствие слоя окиси алюминия предотвращает химическое взаимодействие расплавленного алюминия с материалом тигля. Для уменьшения толщины слоя окисла на поверхности тигля и увеличения проницаемости этого слоя частицами наполнителя используется тот же наполнитель. Наполнитель, состоящий из углеродных наночастиц размером 10-100 нм, имеющих высокую коагулирующую способность, образует плотный защитный слой, уменьшающий толщину оксидной пленки на зеркале расплава основного металла. Разбиение конгломерата наночастиц на поверхности расплава осуществляется механическим воздействием куполообразного диска при опускании его в расплав и воздействием механических колебаний высокой частоты. Пример 2. Олово - УНТ. Олово, по сравнению с алюминием, имеет более низкую температуру плавления,меньшую пленку окисла, меньшую скорость распространения звука, большую плотность. Для диспергирования и равномерного распределения наполнителя в олове, как и других металлов, меняются только режимы работы устройства, например перегрев расплава, изменение мощности ультразвукового воздействия, время ультразвукового воздействия, которое может меняться с величиной погружения в расплав. Установлено, что дисперсные углеродные наночастицы выталкиваются на поверхность, слипаются в конгломераты на поверхности расплава и окисла, не проникают в расплав металла. Ультразвуковое воздействие структурирует порошковое тело, переводит его из среды, состоящей из конгломератов, в колеблющие пылеобразные зоны. Объем области таких упруго колеблющихся зон обратно пропорционален коэффициенту затухания звука в порошке. Когда ультрадисперсный порошок является газодисперсной средой, модуль объемной упругости порошкового тела зависит от мощности ультразвукового воздействия на наполнитель в куполообразном диске. Таким образом, заявляемое устройство позволяет создавать новые композиционные материалы с улучшенными параметрами по сравнению с исходными компонентами и возможно получать некоторые новые качества, которые отличны от свойств исходных материалов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4
МПК / Метки
МПК: C22C 1/00
Метки: получения, материалов, литых, композиционных, устройство
Код ссылки
<a href="https://by.patents.su/4-u3516-ustrojjstvo-dlya-polucheniya-lityh-kompozicionnyh-materialov.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство для получения литых композиционных материалов</a>
Предыдущий патент: Однодисковый сошник
Следующий патент: Бункер-перегружатель
Случайный патент: Полноповоротный кран