24.03.2018

Литье набрызгиванием жидкого металла


В 1934 г. Мерле установил, что отлитые заготовки, изготовленные разными известными в то время способами: отливкой в изложницы, в песчаные формы или между валками и т. п., имеют три различные структурные зоны:

1) быстро охлажденную внешнюю зону с беспорядочным расположением кристаллов. Механические свойства металла этой зоны обычно значительно выше, чем других слоев отлитой заготовки, из-за однородности состава, соответствующего среднему составу расплавленного металла;

2) зону игольчатых кристаллов, оси которых располагаются в на правлении, противоположном направлению отвода тепла;

3) центральную зону крупных эквиаксиальных кристаллов.

Эта гетерогенная кристаллическая структура характеризуется селективной ликвацией легирующих элементов и включений, газовыми пузырями, усадочными раковинами и т. п. Структура литого металла оказывает решающее влияние на свойства готовых изделий, на его пригодность к последующей горячей обработке давлением и механической обработке резанием.

Исследования показали, что структура внешней зоны литой заготовки зависит от степени переохлаждения металла при соприкосновении его с холодными стенками литейной формы. На первичную структуру такого металла влияют следующие два фактора:

1) число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени при определенной температуре;

2) скорость кристаллизации, зависящая от скорости отведения скрытой теплоты плавления от отливаемого металла.

Понятие «переохлаждение» означает такое состояние металла, которое возникает, когда при определенной температуре вблизи или несколько ниже температуры его затвердевания нельзя получить металл в равновесном состоянии. Металл находится в метастабильном состоянии. Было найдено, что такое состояние может возникнуть в металлах, переохлажденных на 0,1—0,3°: у таких металлов, как золото, медь, висмут, сурьма, свинец, олово, и у ряда сплавов можно получить переохлаждение на 30—45°. В переохлажденном состоянии металлы и сплавы обладают жидкотекучестью, хотя и содержат твердую фазу. В таком состоянии металл может течь и заполнять литейную форму.

В жидком состоянии расплавленный металл или сплав легко может течь под действием собственной тяжести. Общее теплосодержание жидкого металла образуется из тепла, потребного на доведение металла до температуры плавления, из скрытой теплоты плавления и из избыточного тепла, которое подводится к металлу для обеспечения его жидкотекучести. В переохлажденном состоянии избыточное тепло и большая часть скрытой теплоты плавления отнимаются от него, чтобы металл находился при температуре несколько ниже температуры затвердевания. Такой переохлажденный металл еще очень жидкотекуч и легко принимает форму кристаллизатора. Мельчайшие частицы металла уже имеют центры кристаллизации. Переохлажденный металл отличается от обычной расплавленной массы металла, содержащей некоторое число затвердевших частичек. Между частицами в это время практически нет молекулярных сил сцепления и они находятся в таком состоянии, что требуется относительно малое усилие, чтобы отделить их одну от другой. Когда же переохлажденный металл попадает в литейную форму или в кристаллизатор, он затвердевает мгновенно и получает мелкую кристаллическую структуру во всей отливке.

Когда струя расплавленного металла при обычной температуре литья попадает на холодную металлическую или неметаллическую поверхность (ленту), свободную от влаги и движущуюся с равномерной скоростью, которая больше, чем скорость истечения расплавленного металла из литейной печи, или литейного ковша, или миксера, то в месте попадания струи металла на ленту образуется непрерывная зона соприкосновения. Расплавленный металл образует слой, соединяющийся довольно плотно с подвижной поверхностью ленты и мгновенно и непрерывно отделяющийся от основной массы расплавленного металла. На некотором расстоянии от участка литья этот слой металла вследствие усадки отделяется от подвижной поверхности. Из этих тонких слоев металла можно отделять практически все находящиеся в них газовые включения.

Мерле предложил разливать расплавленный металл, например быстрорежущую сталь, на быстро движущуюся ленту и направлять его после достижения переохлажденного состояния в проходной кристаллизатор. Таким образом можно перерабатывать в минуту от 300 до 1500 кг стали, не содержащей газовых включений из окружающего расплавленную сталь воздуха.
На рис. 346 и 347 представлено устройство для осуществления этого способа непрерывного литья. Металл течет из ковша в желоб 2 быстро движущейся стальной ленты 1 и образует на ней тонкий слой, который при высокой скорости движения ленты превращается в струю переохлажденных частиц расплавленного металла.

На рис. 348 показано устройство для получения таким способом двухслойных полос.

Усовершенствуя свое изобретение, Мерле спроектировал установку, показанную на рис 349. Металл разливается между подвижными лентами 1 и 2, изготовленными из меди или медных сплавов. Между этими лентами помещаются ленты 3 (рис. 350) для образования определенного зазора по толщине и ширине между лентами 1 и 2. Позицией 4 отмечен проходной кристаллизатор, а 5 — затравочная штанга, на наружную поверхность которой 6 с высокой скоростью поступает металлический тонкий слой отливаемого металла. Вращение водоохлаждаемых вытягивающих отливаемую полосу роликов 7 согласуется со скоростью ее образования.

Установка для изготовления бесшовных труб показана на рис. 351. Верхняя часть этой установки соответствует верхней части установки, показанной на рис. 349. Вместо подвижных полос можно использовать два взаимодействующих охлаждаемых валка или один охлаждаемый барабан с неподвижной крышкой между участком заливки отливаемого металла и кристаллизатором. Оправка 1 охлаждается водой и приводится во вращение с помощью ремня 2.

В 1945 г. Дей опубликовал статью об установке Мерле.
В 1951 г. Бреннан, указывая на способ изготовления металлизированных лент для электролитических конденсаторов, предложил изготавливать таким же образом и металлические полосы. Этот способ заключается в том, что металл, например алюминий, вначале распыляется на подвижную ленту форсунками с одной стороны (рис. 352), а затем с другой (рис. 353). При этом получается довольно равномерная толщина металла в поперечном сечении. Оборудование для осуществления подобного способа изобрели в 1952 г. Лан и Бреннан. Изготовление конденсаторной фольги напыливанием алюминия на подвижную ленту (например, из анодированного алюминия или стали) и отделение затвердевшего слоя предложено Бреннаном в 1948 г.

На рис. 354 показана усовершенствованная установка, которую Бреннан предложил в 1952 г. для изготовления металлических полос, имеющих равномерную толщину в поперечном сечении. При разбрызгивании расплавленного металла из форсунки 1 на проходящую под ней ленту 2 металлическая полоса получает большую толщину посередине, чем по краям. С помощью вращающихся дисков 3 металлические частички, разбрызгиваемые в сторону и обычно полезно не используемые, возвращаются на края ленты 2, имеющей ширину, например, 50 мм, благодаря чему образуется равномерное покрытие, как в данном примере, толщиной 0,09 мм.
В 1952 г. Бреннан предложил распылять жидкий металл на равномерно движущуюся ленту, не смачиваемую металлом. Таким способом он хотел изготовлять как пористые ленты, например для электролитических конденсаторов, так и плотные металлические ленты. Он указал на возможность получения лент любой толщины из нескольких слоев металла. Подвижную основу, на которую напыливается металл, например в виде валка, можно изготовлять из алюминия или другого металла с элоксированной или смазанной поверхностью, а также из графита или керамического материала. Лента, состоящая из спеченных металлических частиц, может изготовляться непрерывно.

Этот способ прежде всего предусматривает изготовление листов толщиной менее 3 мм. Устройство для осуществления этого способа показано на рис. 355. Расплавленный металл из промежуточного разливочного устройства 1, в котором металл поддерживается на постоянном уровне, через отверстия 2 попадает на вращающийся и охлаждаемый диск 3, который набрасывает распыленные частицы металла на подвижную ленту 4. Шайба 3 находится в заполненном нейтральным газом пространстве 5, соединенном трубопроводом 6 с вакуумным насосом. На рис 356 показана установка с подвижной лентой 4. Напыленная лента 7 отделяется ножом 8 и наматывается на шпулю 9. В установке, представленной на рис. 357, возможно изготовление более толстых полос, состоящих из двух слоев. Подвижные поверхности в этом случае образованы валками 1 и 2, 3 и 4 — уплотняющие валки. Этому же изобретателю принадлежит способ разбрызгивания распыленного алюминия на вращающийся барабан для изготовления электродов электролитических конденсаторов.
В 1952 г. Бреннан хотел изготовлять тонкие пористые металлические полосы набрызгиванием распыленных частиц металла на сходящиеся наружные поверхности двух валков, например с помощью пистолета Шоопа. Валки, как показано на рис. 358, плотно примыкают к отверстию в камере, в которой создается пониженное давление и содержится инертный газ. В устройстве, показанном на рис. 359, для этой цели используются подвижные ленты из элоксированного алюминия, плотно охватывающие валки. Согласно другому варианту, металлический порошок, свободно падая через высокочастотную нагревательную катушку, попадает в зазор между валками, как показано на рис. 360.

Пористые металлические полосы могут использоваться в качестве электродов конденсаторов, полос для вкладышей подшипников и как трансформаторные листы. Алюминиевые листы для электролитических конденсаторов можно изготовлять толщиной 0,1 мм и шириной 50 мм разбрызгиванием на элоксированную алюминиевую ленту распыленного металла из проволоки толщиной 3 мм, расплавляющейся со скоростью 170 мм/сек. При плавлении проволоки со скоростью 50 мм/сек удалось изготовить ленту толщиной почти 0,4 мм; скорость перемещения алюминиевой ленты, на которую производилось распиливание, составила 5,5 м/мин.
Данным способом можно изготовлять плакированные полосы и металлизировать листы из бумаги, асбеста и другого волокнистого материала. Металлические частицы можно разбрызгивать со скоростью 300 мм/сек.

Очень важно, чтобы распыливаемые металлические частицы взаимно перекрывали одна другую. На рис. 361 показана установка, которую также предложил в 1953 г. Бреннан.

В тигле из глинозема 1 расплавленный алюминий индукционным током подогревается до желаемой температуры (например, до 790°) и под действием магнитных сил поступает в тигель 2. Сливное отверстие 3 обеспечивает постоянный уровень металла в тигле 2. Расплавленный металл разбрызгивается на валок 4 вращающейся ротационной щеткой. Образующаяся пористая алюминиевая полоса 6 сматывается в рулон 7. В камере 8, соединенной с вакуумным трубопроводом, поддерживается пониженное давление.





Яндекс.Метрика