Применение электромагнитных сил в литейном процессе

Литейное производство 2011-9
Применение электромагнитных сил в литейном процессе
С.Л. Тимченко1), Р. Хартманн2)
1)
2)
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва
Технический университет горной академии, Фрайберг
В связи с резким увеличением потребности в микроизделиях и их компонентах
актуальным является развитие возможностей микротехнологий. Микроизделия получают
штамповкой, применяют лазерные, а также литейные технологии. Для заполнения
литейной микроформы используют вакуумирование формы, заливку под высоким
давлением, ультразвуковое воздействие на форму и металл, а также специальные
материалы для покрытия внутренней части формы. При этом сложность технологического
процесса не всегда решает в целом проблему получения качественного изделия. Для
изготовления микроизделий из металлов и сплавов необходимо использовать специальные
технологии, в которых предусматривается создание дополнительных сил,
компенсирующих силы поверхностного натяжения, сцепления, трения, а также
позволяющих оказывать положительное влияние на свойства структуры материала и на
физические свойства готового изделия. В данном случае, на наш взгляд, перспективным
будет применение бесконтактного способа внешнего воздействия на технологию
формирования изделия.
В настоящее время достаточно широко используется на практике и изучается
влияние электрического тока, магнитного и электромагнитного полей на процесс
кристаллизации и физические свойства материала отливок. Магнитные и
электромагнитные поля используют для перемешивания расплава в тигле или форме,
разогрева металла в прибылях. Электрический ток влияет на интенсивность
массопереноса, газосодержание металлов, растворимость примесных компонентов 1,2.
Размеры эвтектических кремниевых кристаллических образований уменьшаются.
Твердость материала отливок, кристаллизация которых осуществлялась под действием
электрического тока, повышается на ~ (15 – 20) % при плотности тока через образец j =
(106 – 107) А/м2 [3]. Таким образом, отливки, кристаллизация которых происходила в
условиях пропускания электрического тока, имеют лучшие механические свойства, по
сравнению с отливками, кристаллизация которых осуществлялась традиционным
способом.
Приведем пример некоторых способов изготовления изделий, в которых
используются электромагнитные силы. Например, в способе [4] для увеличения
эффективности воздействия электрического тока на процесс формирования отливки
используются электроды, которые последовательно расположены в форме. Напряжение,
подаваемое на электроды, создает в пространстве формы продольное электрическое поле,
совпадающее по направлению с направлением движения жидкого металла в форме, и
обеспечивает протекание электрического тока по расплаву по мере заполнения им формы.
1
Воздействие осуществляется на ту часть расплава, которая уже находится в форме, а
также при окончательном заполнении формы жидким металлом. Технологическая
особенность данного способа заключается в необходимости установки дополнительных
электродов внутри формы.
В патенте США “Метод и аппаратура для непрерывного литья” [5] предлагают
использовать силу Лоренца для уменьшения внутренних дефектов (центральная
сегрегация и пористость). Сила Лоренца действует на внутренние части слитка,
находящегося в твердо-жидком состоянии и обеспечивает проникновение жидкого
металла в междендритные области, что приводит к заполнению усадочных пустот.
Использование электромагнитного поля в качестве внешнего воздействия позволит
не только управлять заполнением литейной формы, но и влиять на свойства структуры.
Рассмотренные патенты, однако, не решает проблему заполнения жидким металлом или
сплавом литейной микроформы, а также извлечение готового изделия из формы.
Способ, предлагаемый в патенте [6] представляет собой комплекс технологических
операций,
обеспечивающий
получение
литых
микроизделий
с
хорошими
эксплутационными свойствами, то есть решает комплексно задачу изготовления
микроизделия на всех этапах технологического процесса. Данный способ позволяет
осуществить заполнение литейной микроформы в случае, когда гравитационные,
капиллярные силы (смачиваемый капилляр) не создают достаточного давления для
заполнения формы жидким металлом. В качестве внешнего дополнительного воздействия
используются магнитное поле и электрический ток.
Cущность предлагаемого способа заключается в том, что с целью улучшения
условий заполнения фасонной литейной формы малым объемом жидкого металла, когда
доминируют силы поверхностного натяжения и сопротивления движению, при
транспортировке металла к форме производят его разогрев индукционными токами
плотностью не менее 108 А/м2. Для осуществления операции заполнения формы жидким
электропроводным материалом малого объема, по указанному объему при нахождении
его в заливочном отверстии литника формы, пропускают электрический ток в виде
прямоугольных импульсов (рис.1) в направлении перпендикулярном оси заливочного
отверстия и одновременно включают однородное внешнее поперечное магнитное поле
индукцией В.
Выбор значений параметров импульса тока определяется физическими свойствами
литейного расплава, поверхностным натяжением, коэффициентом сопротивления
движению, индукцией магнитного поля, диаметром литникового канала, давлением газа в
форме и фазой давления сжатого газа, видом заливки (вертикальная: сверху, снизу;
горизонтальная). Длительность импульса выбирается из условия  t  
2  N  ,
N -
количество пульсаций, τ - время заполнения формы. Время заполнения формы выбирается
из условия τ < τфп, τфп – время фазового перехода. В результате такого воздействия,
возникает электромагнитная сила, сила Ампера, приводящая к преодолению сил
поверхностного натяжения, сопротивления и заполнению формы жидким
электропроводным материалом. На форму в процессе заполнения ее расплавом
2
осуществляется механическое воздействие ультразвуком от датчиков, закрепленных с
наружной стороны формы. Механическое воздействие дает увеличение интенсивности
внутренней и внешней кинематики расплава, то есть улучшает условия его течения. Во
избежание резкого охлаждения металла в форме, заливку лучше осуществлять в
подогретую форму. После затвердевания периферийной части отливки необходимо
поменять направление индукции магнитного поля В на противоположное или изменить
полярность источника (рис. 1) при неизменной ориентации внешнего магнитного поля. В
результате возникнет сила Ампера, направленная из формы наружу. Это позволит
исключить контакт между оставшейся частью металла в литнике и отливкой в форме.
Выдержку отливки в форме производят до достижения ей температуры не более 0.4•Тпл.
Внешние дополнительные воздействия, применяемые в способе, позволяют не
только осуществить необходимые технологические операции (приготовление расплава,
заполнение формы, извлечение отливки), но и обеспечивают улучшение физических
свойств материала. Применение электромагнитного воздействия делает возможным
согласование скорости заполнения расплавом формы со скоростью охлаждения, и создает
благоприятные условия для объемного зародышеобразования.
I, A
t, c
Рис. 1.
В случае вертикальной заливки сверху сила Ампера будет действовать совместно с
гравитационной силой, и создавать дополнительное, избыточное давление,
способствующее не только заполнению формы, но и уплотнению слоев металла при
заполнении формы.
В случае вертикальной заливки снизу при не смачиваемой поверхности формы,
единственной движущей силой будет сила Ампера. В этом случае после окончания
3
заполнения формы металлом необходимо выдержать образец под действием силы Ампера
до полного затвердевания объема, чтобы скомпенсировать действие гравитационной силы
и силы поверхностного натяжения. В противном случае, противодействующие силы будут
вызывать дополнительные механические напряжения, и усиливать расслоение материала.
Охлаждение расплава при заполнении им формы приведет к различному ускорению
движения слоев за счет неравномерности силы Ампера по высоте столба металла и как
следствие к неоднородной плотности образца. Поэтому на практике реализация движения
металла сверху вниз под действием внешних сил обеспечит более качественную
внутреннюю структуру изделия.
Извлечение
готовой отливки из
формы производят с
помощью магнитной
силы
Ампера
с
I
предварительным
ИПИ
раскрытием литейной
FA
B
формы и наложением
механического
воздействия
на
систему
отливкаРис. 2.
форма
от
пьезодатчиков. Цель
механического воздействия заключается в уменьшении сил сцепления между отливкой и
формой.
При вертикальном разъеме формы схема извлечения готового изделия показана на
рис. 2.
Предпочтение имеет импульсный режим извлечения отливки, параметры ЭМ
(электромагнитное) воздействия выбираются из условия сдвига отливки:
FA > FСЦ + FТР. Параметры, определяющие ЭМ воздействие, должны быть по значению
меньше критических, приводящих, например, к плавлению материала отливки. Чтобы
извлечь отливку из формы необходимо преодолеть силы сцепления Fсц и трения покоя Fтр.
Величина силы сцепления Fсц определяется химическим взаимодействием жидкого
металла с материалом формы. Уровень гладкости стенок формы должен обеспечивать
отсутствие таких дефектов как микро-, нано- заливы и неровности на поверхности
отливки. После извлечения отливки из формы, перед повторным использованием формы,
ее необходимо обработать воздушным потоком.
Для осуществления данного способа к форме предъявляются следующие требования:
1.Материал формы – непроводящие, немагнитные керамика, фарфор. Это
необходимо для исключения силового взаимодействия формы с внешними
электромагнитными полями.
2.Материал, из которого изготовлен литник, должен иметь низкую теплопроводность
и теплоотдачу.
4
3.Обеспечить возможность подогрева формы. Выполнение этого условия в первую
очередь необходимо для уменьшения возможности преждевременного затвердевания
металла, а также для улучшения условий смачиваемости формы жидким металлом.
4.Форма должна быть разъемной.
5.Наличие в форме газоотводных отверстий.
6.Предусмотреть установление электрических контактов для осуществления
операций заполнения литейной формы жидким металлом и извлечения готовой отливки из
формы.
Данный способ изготовления изделий не имеет строгого ограничения по
используемым материалам за счет возможности регулирования параметрами воздействия.
В целом применение электромагнитного воздействия позволяет управлять не
только движением металла в литейную форму, но физическими свойствами материала в
условиях фазового перехода.
Пример расчета параметров ЭМ воздействия
Приведем пример расчета параметров внешнего воздействия для осуществления
технологического процесса, предлагаемого в работе [6].
Расчет параметров воздействия и кинематических характеристик движения объема
жидкого металла проведен для алюминия, как одного из наиболее распространенных
конструкционных материалов. Свойства алюминия: ρ = 2.428·10 3 кг/м3 – плотность
вещества в жидком состоянии, σ = 0.85 Н/м (при Т = 1073°К) - коэффициент
поверхностного натяжения. При заданных параметрах: В = 0.5 Тл, l1 = 2·10-3 м, l2 = 4·10-3
м, - длина нижней и верхней стороны литниковой системы соответственно, получено Imin
≈ 24.4 А,. Выбрав I > Imin, а именно, I = 30 А, получаем расчетное значение времени
заполнения литейной формы жидким металлом с помощью силы Ампера: tзап = 9.14·10-3 с.
Ускорение, сообщаемое металлу под действием указанных сил, составляет 95.7 м/с 2, что
почти в 10 раз больше ускорения свободного падения в вакууме (g = 9.8 м/с 2). Скорость
движения жидкого металла из заливочного отверстия литника в форму составила 0.87 м/с,
а скорость движения металла в форме –  Ф ≈ 0.39 м/с. Рассчитано для площади
поперечного сечения литникового отверстия – S1 = l12 = 4·10-6 м2 и площади сечения
формы - Sф = 9·10-6 м2. Такая скорость движения металла не будет создавать
кавитационные потоки, приводящие к интенсивному перемешиванию в форме газа с
металлом.
Избыточное давление при заданном воздействии составило Pизб  941 Па, а
скорость движения газа в критическом сечении газоотводного канала формы -  го  43
м/с. Так как значение скорости меньше предельной, равной скорости звука в данной
среде, поэтому не будет происходить запирания газового потока в форме.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение электромагнитных воздействий делает возможным управление
движением металла в литейную форму, физическими свойствами материала в условиях
5
фазового перехода. В рассмотренной схеме было использовано действие силы Ампера за
счет внешнего магнитного поля и электромагнитной силы за счет собственного
магнитного поля тока. Сила Ампера, являясь движущей, создает не только внешнее
давление, требуемое для заполнения формы, но внутреннее. Локальное давление,
создаваемое магнитными силами, позволит управлять кристаллическим строением
материала. Данные силы вызывают объемное сжатие слоев металла, находящегося в
жидком и твердожидком состоянии, что, способствует заполнению расплавом меж
дендритного пространства и формированию более плотной структуры, уменьшая микро
пористость материала.
Электромагнитное воздействие является дополнительным фактором, позволяющим
влиять на динамику литейных процессов, регулировать время заполнения металлом
формы. Пропускание электрического тока через расплав способствует улучшению
растворимости примесей и легирующих компонентов, изменяет распределение фазовых
составляющих за счет активирования тепловыделений на границах включение-матрица.
Литература
1. А.В. Дорофеев, А.Б. Килин, А.С. Тертишников //Литейщик России, 2002, №2, с.19-21.
2. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах. Монография// Л.Г.
Знаменский, В.В. Крымский, Б.А. Кулаков. Челябинск: Изд-во ЦНТИ, 2003.-130с.
3. В.А. Рыбкин, С.Л. Тимченко //Литейное производство, 2003, № 10, P. 17-19.
4. Патент № 2220816 С2 МПК7 В22D 27/02.
5. Патент № US 6,530,418 B2 от 11.03.2003.
6. Патент DE 102005009326A1.
6