Способ литья расплава металла, полученного плавлением твердого металлического стержня посредством индукционного нагрева

Изобретение относится к области металлургии. Твердый металлический стержень плавят путем индукционного нагрева в камере плавления. Перемещают и выдавливают расплав металла из камеры плавления под давлением с использованием поршня. В качестве поршня используют твердую часть расплавляемого металлического стержня. Обеспечивается упрощение процесса литья, а также возможность изготовления изделий 3D печатью. 2 ил.

 

Способ используется для порционного или непрерывного получения расплавов различных металлов. При порционном получении способ может использоваться в различного рода процессах литья с использованием литейных форм. Способ, также, после согласования скоростей подачи твердого стержня и мощности индукционного нагревателя, может использоваться для непрерывного литья полученного расплава металла с одновременной непрерывной подачей металлического стержня в зону нагрева. В этом случае, он может быть применен в процессах печати трехмерных объектов (3D печати).

В настоящее время известно несколько способов литья металлов, в которых расплавленный металл подается в литейную форму под давлением.

1. Центробежное литье (источник: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ, Москва, ОНИКС 21 век, Центр общечеловеческих ценностей, 2005, УДК 73/76, ББК 37.27, Л55 Ссылка в сети Интернет: http://jtech.com.ua/article/view/id/482)

При этом способе литья расплавленный металл получают отдельно в плавильной печи, а затем помещают его в расплавленном виде, залитым в чашу, в литейное устройство. Для осуществления процесса литья в чаше создают избыточное давление, которое создается центробежной силой при раскручивании литейного механизма. Под действием центробежной силы металл подымается до уровня отверстия чаши и поступает в полость формы для литья.

Недостатками этого способа является неудобство перемещения расплава металла между плавильной печью и литейным механизмом, а также принцип создания давления за счет центробежной силы. Как известно, центробежная сила прямо пропорциональна угловой скорости вращения и радиусу вращения, поэтому для создания значительных давлений приходится либо увеличивать габариты устройства, либо увеличивать скорость вращения (а, значит, увеличивать мощность двигателя, создающего вращение, и улучшать балансировку механизма вращения). Увеличить габариты часто невозможно, а увеличить скорость - сложно.

2. Вакуумное литье (источник: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ, Москва, ОНИКС 21 век, Центр общечеловеческих ценностей, 2005, УДК 73/76, ББК 37.27, Л55 Ссылка в сети Интернет: http://jtech.com.ua/article/view/id/482)

Способ вакуумного литья основан на удалении воздуха из литейной формы через дно и боковые отверстия опоки во время заливки. Давление воздуха в опоке понижается до 100-300 мм рт.ст. и за счет разности атмосферного давления, которое давит на зеркало залитого металла, и разрежения в полости формы обеспечивается качественное воспроизведение отливками рельефа формы.

Недостатком метода является предел величины максимального давления, оказываемого на расплавленный металл, которое ограничено атмосферным давлением.

3. Литье под давлением

(источник: СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЛИТЬЯ A.M. Зборщик Донецкий национальный технический университет

УДК 621.74 (075.8)

Конспект лекций по дисциплине «Специальные методы литья» / Авт. Зборщик A.M. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2007. - 158 с.

Ссылка в сети Интернет:

http://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/41/razdel41.php)

Этот способ предполагает получение расплава металла в печи или камере плавления и последующую подачу уже расплавленного металла в устройство(камеру прессования), создающее избыточное давление для литья. При этом, избыточное давление создается поршнем, который представляет из себя отдельный узел литейной машины. При перемещении поршня, он давит на расплавленный металл и металл выдавливается в литейную форму.

Недостатком этого способа является либо неудобство транспортировки расплавленного металла из плавильной печи в литейную установку- если эти устройства разделены, - либо избыточный расход энергии на поддержание металла в расплавленном состоянии в камере плавления, откуда он всасывается в камеру прессования - если камера плавления (печь) и камера прессования находятся внутри одного механизма. Также, разделение камеры плавления и камеры прессования и исполнение поршня камеры прессования в виде отдельного элемента литейной машины, усложняет конструкцию литейного механизма. Этот способ принят за ближайший аналог.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Твердый металлический стержень 1 подается в канал 2 (Фиг. 1), который до момента подачи в него стержня пуст. По мере подачи стержня в зону нагрева II, которая является камерой плавления, с направлением подачи I → II, стержень попадает под действие индукционных токов, возбуждаемых в стержне индукционной катушкой 4. Под действием индукционных токов стержень плавится, превращаясь в расплав 5. При этом, в зоне I стержень 1 остается твердым, так как не подвергается действию индукционных токов. Полученный расплав 5 поступает в зону выдавливания 6, откуда может быть выдавлен в любом направлении; при этом, необходимое для выдавливания избыточное давление будет создано твердой частью стержня 1, если к нему будет приложено усилие в направлении I → II. В этом случае, твердая часть стержня 1 на границе зон I и II исполнит роль поршня. Таким образом, зона II, являясь камерой плавления, является также и камерой прессования. Величина создаваемого давления будет зависеть от зазора III между стенкой канала 2 и стенкой стержня 1. Чем меньше будет этот зазор, тем большее давление сможет создать металлический стержень (поршень) 1. Это давление ограничивается силой поверхностного натяжения расплавленного металла в зазоре III, препятствующей протеканию металла между стенкой канала 2 и стержня 1, которая, согласно формуле Лапласа, обратно пропорциональна величине этого зазора. Необходимо отметить, что предлагаемый метод может обеспечить непрерывное получение расплава металла, если согласовать скорость подачи стержня 1 в зону нагрева II и скорость расплавления металла индукционным нагревателем. Если металл подаваемого стержня будет плавиться со скоростью подачи, то процесс образования расплава станет непрерывным. Описанная возможность может быть использована при применении метода в устройствах печати объемных моделей (3D печати).

Надо отметить, что металлы, не являющиеся ферромагнетиками, нагреваются индукционными токами достаточно слабо. В этом случае для получения расплава может быть применена модификация описанного выше метода, когда металл плавится в зоне II не непосредственно под действием индукционных токов, а от воздействия нагретого неметаллического (или металлического, сделанного из ферромагнетика) проводника 7 (Фиг. 2), который помещается внутрь диэлектрика 3 и нагревается от воздействия индукционных токов интенсивнее, чем металл, не являющийся ферромагнетиком. В качестве такого неметаллического проводника может быть использован, например, графит, а, в случае вставки из ферромагнетика, сталь. При этом, материал, из которого изготовлен проводник 7 должен иметь температуру плавления выше, чем нагреваемый им металл стержня 1.

Применением описанного способа достигается эффект уменьшения сложности литейной машины, а, значит, уменьшения ее цены и увеличения безопасности применения в производственных и бытовых процессах. Также, применение способа позволяет простыми методами добиться непрерывного литья расплава металла, что может быть применено в процессах аддитивного производства (3D печати).

Способ литья расплава металла, включающий плавление твердого металлического стержня путем индукционного нагрева в камере плавления, перемещение и выдавливание расплава металла из камеры плавления под давлением с использованием поршня, отличающийся тем, что в качестве поршня используют твердую часть расплавляемого металлического стержня.