Применение электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств латуни Л-63 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Балуков, Борис Евгеньевич

• Балуков, Борис Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Балуков, Борис Евгеньевич

СОДЕРЖАНИЕ:

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Электромагнитное воздействие на расплавы металлов и сплавов

1.1.1. Формирование струи расплава электромагнитным полем

1.1.2. Левитационные эффекты под действием электромагнитного

поля

1.1.3. Электромагнитное перемешивание расплава. Особенности формирования структуры при ЭМП

1.1.4. Технологические схемы, использующие устройства для ЭМП

расплавов

1.1.5. Применение электромагнитного воздействия при

кристаллизации сплавов на основе меди

1.2. Структурные особенности латуни Л-63. 23 ГЛАВА 2. Материалы и методика эксперимента

2.1. Приготовление образцов и их обработка

2.2. Металлографический анализ

2.3. Механические свойства при комнатной и повышенной 38 температурах.

2.4. Определение релаксационной стойкости. 39 ГЛАВА 3. Разработка конструкции индукционного электромехани-

ческого преобразователя энергии.

3.1. Конструкция и геометрические размеры установки для электромагнитного перемешивания

3.2. Электрические параметры и схемы включения обмоток

3.3. Электромагнитные характеристики

3.4. Расчет усилий, развиваемых индуктором, в рабочем объеме

расплава под действием электромагнитного поля

ГЛАВА 4

4.1. Влияние ЭМП на структуру и свойства латуни Л-63 в литом

состоянии

4.2. Влияние ЭМП на микроструктуру и фазовый состав латуни

Л-63. ВО

4.3. Влияние ЭМП на механические свойства латуни Л-63. 90 ГЛАВА 5. Влияние ЭМП на структуру и свойства проволоки из

латуни Л-63

ГЛАВА 6. Выпуск опытно-промышленных партий латуни Л-63 с

использованием технологии ЭМП

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Приложение №1. Технологическая карта ТКЦМО 15-Л63/5-2

Приложение №2. Акт промышленного опробования на предприятии ОАО "Электрон" чувствительных элементов манометров общепромышленного назначения из латуни марки Л63, отлитой с применением электромагнитного перемешивания

Приложение №3. Акт внедрения результатов НИР

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств латуни Л-63»

ВВЕДЕНИЕ.

Повышение уровня развития машиностроительной и приборостроительной отраслей предполагает разработку и изготовление материалов для деталей и узлов различного рода приборов и механизмов, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность.

Контактные группы релейных систем, чувствительные элементы приборов для измерения давления, пружинные материалы, режущий инструмент для эррозионных станков, соединительные узлы интегральных схем и т.д. - все эти изделия, являющиеся важнейшими материалами продукции машиностроительного, электро- и электроннотехнического назначения, изготавливаются из сплавов на основе меди.

Одним из широко распространенных сплавов, используемых в машиностроении и приборостроении является латунь Л-63. Основными требованиями, которые предъявляются к этому сплаву, использующемуся для деталей манометров, пружинных элементов реле, эмаль-провода, электродов - является стабильность уровня механических и эксплуатационных свойств изделий из латуни.

Как показал опыт Каменск-Уральского завода ОЦМ, являющегося основным поставщиком латунного проката отечественной промышленности, достижение высоких эксплуатационных характеристик не всегда обеспечивается из-за высокого рассеяния механических свойств полуфабрикатов (прутков, проволоки) из латуни Л-63 в пределах ее марочного состава.

Опыт решения подобных проблем показывает необходимость совершенствования технологических процессов на всех этапах передела сплава от литья до получения полуфабрикатов волочением в виде проволоки, путем управления структурой сплава.

Для решения этой задачи могут быть использованы различные пути влияния на структуру и свойства сплава: дополнительное легирование сплава, совершенстбование и разработка новых процессов обработки давлением, термическая обработка литых заготовок, управление кристаллизацией сплава в процессе литья.

Настоящая работа позволяет решить проблему управления структурой латуни Л-63 с целью повышения уровня и стабильности свойств сплава за счет использования электромагнитного воздействия в процессе кристаллизации расплава.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Анализ причин нестабильности структуры и свойств сплава Л-63, отливаемого по традиционной заводской технологии. Поиск решений получения однородной мелкозернистой структуры и стабильных свойств латуни Л-63, которые обеспечат повышение качества полуфабрикатов и готовых изделий.

2. Разработка новой технологии литья латуни Л-63 с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации.

3. Разработка специального технологического оборудования для реализации электромагнитного перемешивания латуни Л-63 в процессе кристаллизации.

4. Определение параметров и режимов литья с электромагнитным перемешиванием, обеспечивающих повышение служебных свойств полуфабрикатов и готовых изделий.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Балуков, Борис Евгеньевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлена и научно обоснована возможность управления процессом кристаллизации латуни Л-63 с помощью ЭМП.

2. Осуществлен расчет установки ЭМП, который обеспечивает движение расплава в заданных направлениях для создания необходимых тепловых условий формирования определенной структуры слитка.

3. Показано, что в латуни Л-63 при постоянном химическом составе можно получать различные количественные соотношения аир фаз в зависимости от режимов электромагнитного перемешивания.

4. Показано, что применение ЭМП при кристаллизации позволяет получать более стабильный фазовый состав латуни Л-63, который наследуется на всех технологических этапах передела сплава (количество Р фазы увеличивается в 1,5-2 раза).

5. Установлено, что ЭМП в процессе кристаллизации приводит к формированию более однородной структуры по объему слитка по сравнению с литьем без ЭМП. Уменьшается средне-квадратичное отклонение количества и размера Р-фазы в 3-10 раз.

6. Показано, что применение ЭМП обеспечивает повышение механических свойств латуни Л-63. В температурном интервале горячей деформации сплава относительное удлинение увеличивается в 1,5 раза, при этом разброс значений этой характеристики уменьшается с 40 до 5%.

7. Установлено, что для изделий (упругие элементы манометра) из латуни Л-63, полученных при использовании ЭМП в процессе кристаллизации литых заготовок, основное эксплуатационное свойство - релаксационная стойкость увеличивается в 10 раз.

8. Разработан новый технологический процесс получения полуфабрикатов из латуни Л-63, включающий ЭМП расплава в процессе выплавки слитков. Составлена технологическая карта ТКЦМО 15-Л63/5-2.

9. Экспериментально установлены два оптимальных режима ЭМП применительно к латуни Л-63 (режим №1 - схема подключения индуктора А2ВХСУ, илин. = 110 - 130 В, направление электромагнитного поля совпадает с направлением вытягивания слитка и режим №3 - схема подключения индуктора АА2£ВВ, илин. = ПО - 130 В, направление электромагнитного поля совпадает с направлением вытягивания слитка), обеспечивающие повышение эксплуатационных и технологических характеристик сплава.

10. При использовании ЭМП достигнуто повышение уровня выхода годного латуни Л-63 по стадиям передела:

- литье с 92% до 97%;

- прессование с 79% до 85%;

- волочение с 93,7% до 97%.

Общий выход годного по разработанной технологии, включающей ЭМП, составил 80%, по сравнению с 68% по старой технологии.

11. Показано, что в пределах установленного гарантийного срока эксплуатации манометров с упругими элементами из латуни Л-63, изготовленной по новой технологии (технологическая карта ТКЦМО 15-Л63/5-2) выход приборов из строя (нестабильность контрольных показаний) снижен в 5-6 раз, срок службы при эксплуатации изделий повышен в 2-2,5 раза - акт промышленного опробывания на предприятии ОАО "Электрон".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Балуков, Борис Евгеньевич, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА.

1. Цаплин А.И. Гидродинамика и массообмен при кристаллизации непрерывных стальных слитков в условиях внешних воздействий на жидкую фазу. // Гидромеханика и тепломассобмен при получении материалов. М.: Наука. - 1990. -С. 169-178.

2. Самойлович Ю.А. Кристаллизация слитка в электромагнитном поле. М.: Металлургия, 1986. - 186 с.

3. Цаплин А.И., Альмумаметов В.Р., Зеленецкий А.Б. Проектирование режимов электромагнитного перемешивания жидкого ядра заготовок на основе вычислительного эксперимента. //Литейное производство, 1991. - № 10. - С. 18.

4. Верте Л.А. Электромагнитная разливка и обработка жидких металлов. М.: Металлургия, 1967.

5. Верте Л.А. Магнитная гидродинамика в металлургии. М.: Металлургия, 1975

6. Верте Л.А. МДГ - технология в производстве черных металлов. М: Металлургия, 1990.

7. Машиностроение. ВНИИТЭМР. Серия: Технология и оборудование литейного производства. М., 1991. - в. 1. - 64 с.

8. Применение магнитодинамических установок в новых литейных технологиях. / Дубоделов В.И., Цин М.Р., Пужайло Л.П. и др. П Литейное производство, 1992. -№9.-С. 29-31.

9. Фигуровский Д.К., Кривонищенко A.A., Сокунов Б.А. Электромагнитное перемешивание литых сплавов в процессе кристаллизации. // Труды тринадцатого Рижского совещания по магнитной гидродинамике "МГД процессы и устройства." ч. II. - 1990. - С. 38.

10. Фигуровский Д.К., Сокунов Б.А., Балуков Б.Е. Использование нетрадиционных электротехнологий для управления структурообразования при кристаллизации тяжелых цветных металлов. // Ргос. of 2nd International Scientific and Technical Conference on Unconventional Electromechanical and Electrotechnical Systems. Szczecin, Poland. - 1996. - P. 177-182.

11. Непрерывное литье в электромагнитном поле. Sidewallcontainment of liquid metal with vertical alternating magnatïc: Пат. 497466 i. США. МКИ В 22Д 11/06 / Lan Robert J., Praeg Walter F., Turner Larry R. и др.; Cach Development Cap. - № 408418, Заявл. 18.09.89; Опубл. 04.12.90 МКИ 164/503.

12. Установка для непрерывного литья полос в электромагнитном поле. Electromagnetischen Gitesen von metallischen Bondern: Пат. 579285 Швейцария МКИ В22Д 11/01 / Jheler Jean-Jacques, Bolliger Martin; Alusuise-Lonza Sevice A.G. -№ 3027/90. Заявл. 18.09.90; Опубл. 31.01.92.

13. Способ непрерывного литья полосы в электромагнитном поле. Electromagnetic confinement and movement of thin sheets of molten metal: Пат. 4905756. США МКИ В22Д 27/02 / Lari Rolert J., Praeg Walter F., Turner Larry R.; U.S. Department of Energy. - № 259389. Заявл. 18.10.88; Опубл. 06.03.90. МКИ 164/467.

14. Регулирование затвердевания на начальной стадии непрерывного литья с помощью низкочастотного электромагнитного поля./ Toh Takehiro / Дзайре то пуросэсу = Curr. Adv. Mater and Proc., 1991. - 4. № 4. - С. 953. Яп.

15. Разработка технологии электромагнитного торможения в высокопроизводительной установке непрерывного литья. / Sugizawa Mototatsu // Дзайре то пуросэсу = Curr. Adv. Mater and Proc., 1991. - 4. № 4. - С. 128. Яп.

16. Электромагнитное регулирование потоков стали в высокопроизводительной установке непрерывного литья. / Дзюн Кубота // Дзайре то пуросэсу = Curr. Adv. Mater and Proc., 1991. - 3. № 1. - С. 256. Яп.

17. Исследование поведения жидких металлов в переменном магнитном поле // Кейдзи Цунэпари // Дзайре то пуросэсу = Curr. Adv. Mater and Proc., 1991. - 3. № 2. - С. 308. Яп.

18. Управление формой струи расплавленного металла с помощью наложения электрического поля в направлении литья ленты. / Kanachi Masagnki, Khiyotani Kazuyuki, Asai Shigco // Тэцу то хаганэ = J. Iron and Stee Fust. Jap., 199L- 77. № 9. -C. 1434-1441. Яп.

19. Обработка материалов в сильном постоянном магнитном поле. Обзор экспериментальных исследований левитации, расслоения на фазы, конвекции и образования текстур. Material processing in high static magnetic field. A review of an experimental study on levitation, phase separation, convection and texturation. / Beanguon E.( Bourgault D., Braithwaite D. и др. // J. phys. sec. 1, 1993. - 3. № 2. -C. 399-421.

20. Специальные способы литья. / Справочник под ред. акад. АН УССР В .А. Ефимова., М.: Машиностроение, 1991. - С. 422.

21. Бондарев Б.И., Наламов В.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. М.: Металлургия, 1989. - С. 223.

22. Вилсон Д.Р. Структура жирных металлов. М.: Металлургия, 1972. - 247 с.

23. Mizukame Hideaki. Применение электромагнитного перемешивания в непрерывной разливке. Механизм образования равноосных кристаллов. II Tetsu to hagane, J. Iron and Steel Fust. Jap. - 1983. - 69. - № 12. - P. 910-917.

24. Штанько Д.А. Ш.Е.Ф. // Т.Ш. - 1933. - № 7. - С. 232.

25. Дорфман Г.Я. Теория затвердевания. II За технику социализма. ОНТИ. М., 1934. -С. 34.

26. В сб. управления процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях, М.: МГАПИ, 1995. - С. 3-26.

27. Гецелев Э.Н., Балахонцев Г.А. и др. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. М.: Металлургия, 1983. - 152 с.

28. Германн Э. Непрерывное литье. М.: Металлургиздат, 1961. - 814 с.

29. Акименко А.Д., Орлов Л.П. и др. Непрерывное литье в вращающемся электромагнитном поле. М.: Металлургия, 1971. - 177 с.

30. Развитие новых элементов непрерывной разливки стали и их влияние на качество непрерывнолитых заготовок. II Информеталл. "Черметинформация". М., 1979. -Вып. 6 (339). - С. 40.

31. Повх И.Л., Чекин Б.В. Магнитогидродинамическая сепарация. Киев.: Наукова Думка, 1978. - 148 с.

32. Kanicki D.R., Krohn B.R. Taking the Heat off Molten Metal Hardling. // Modern Casting. - 1984. - 74. - № 10. - P. 22-24.

33. Сокунов Б.И., Фигуровский Д.К., Балуков Б.Е. Технология отливки сплавов на основе меди в магнитном поле. Proc of 3rd International Scientific and Technical Conference on Unconvertional Electromechanical and Electrotechnical Systems. Ukraine, 1997. - P. 445-449.

34. Токарь B.C. Диссертация: Повышение служебных и технологических свойств сплавов на основе меди путем оптимизации структуры и снижения поврежденности. М. МИП, 1993. к.т.н. 142 с.

35. Фигуровский Д.К., Ермолаева Н.И. и др. Структура и свойства сплава МНЦ 15-20, выплавленного при воздействии электромагнитного поля. // Сб. научных трудов "Прогрессивные процессы плавки и литья цветных металлов и сплавов". М.: Металлургия, 1990. - С.77-84.

36. Ефремов. Роль фазового строения в формировании структуры и свойств (a+ß)-латуней. // Сб. научных трудов "Оптимизация свойств и рациональные применения латуней и алюминиевых бронз". М.: Металлургия, 1988. - С. 19-26.

37. Ефремов Б.Н., Федоров В.Н., Широков Н.М. и др. // Цветные металлы. - 1984. -№ 10. - С. 78-82.

38. Ефремов Б.Н., Курбаткин В.Н., лобков А.И., Смирнягина H.A. II Цветные металлы. - 1985. - № 11. - С. 72-74.

39. Новиков И.И., Портной В.К., Ефремов Б.Н., Цепин М.А. // Цветные металлы. -1984.-№8. -С. 78-82.

40. Ханин М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т.2. М.: Металлургия, 1962. -1488 с.-илл.

41. Смирягин А.П., Смирягина Н.А, Белова A.B. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. - 495 с. - илл.

42. Мальцев M.B. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1990. - 302 с. - илл.

43. Новиков И.И., Золотаревский B.C. Дендритная ликвация в сплавах. М.: Наука, 1966.

44. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСиС, 1994. - 480 с. - илл.

45. Бочвар A.A. Металловедение. М.: Металлургиздат, 1956. - 496 с. - илл.

46. Кац А.И., Лазарев В.В., Курилович З.И. и др. Неравномерность затвердевания цилиндрических слитков меди и латуни при полунепрерывной разливке. // Научные труды "Плавка и литье цветных металлов и сплавов. Металлургия вторичных цветных металлов". М.: Металлургия, 1975. - С. 13-21.

47. Кац А.И., Шаден Е.Г. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 205 с. - илл.

48. Кац А.И., Новиков A.B. и др. Формирование структуры и свойств полуфабрикатов из дисперсионно-твердеющей свинцовой латуни. // В сб. "Оптимизация свойств и рациональное применение латуней и алюминиевых бронз". М.: Металлургия, 1988.-С.65-72.

49. Бадаев В.Г., Гришина Н.П. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на концентрацию твердого раствора цинка в меди и сплавах Cu-Zn-Pb. // Отраслевой сборник "Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов". Вып. 66. М.: Металлургия, 1982. - С. 85-88.

50. Авдюшкин O.A., Бикмеггова Ф.Г. и др. О способности сплава Л-63 к горячей обработке. // Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Вып. 58. М.: Металлургия, 1978. - С. 58-60.

51. Тихонов Б.С. Медно-цинковые сплавы (латуни), обрабатываемые давлением. М.: ЦНИИТИ, 1974. - 107 с. - илл.

52. Юшина Е.В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Исследование закономерностей формирования структуры и свойств свинцовых латуней с целью повышения технологичности при обработке давлением. М., 1990.

53. Захаров А.И. Промышленные сплавы цветных металлов. М.: Металлургия, 1980. -256 с. - илл.

54. Гевелинг Н.Н., Рахштадт А.Г. Заводская лаборатория. -1961. - № 27. - С. 89.

55. Бруткевич A.M., Макогон М.Б. и др. // ФММ. - Вып. 4. - Т. 16. - С. 583.

56. Токарь B.C., Свинин В.И., Балуков Б.Е., Юрьев Ю.Н., Трусков С.А., Сокунов Б.А., Прудников Ю.С., Карташова В.А., Кривонищенко А.И. Состояние разработок в области электромагнитного перемешивания металлов и сплавов. / Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Сб. научн. трудов. - Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию, Уральский государственный технический университет, Уральское отделение Академии электротехнических наук, АООТ "Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов". Екатеринбург, 1996. - С. 10-14.

57. Применение магнитной схемы замещения в расчете индукторов для целей электромагнитного перемешивания. / Б.А. Сокунов, Ю.С. Прудников, Б.Е. Балуков, Ю.Н. Юрьев, А.И. Кривонищенко. // Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях: Сб. научн. трудов. - М., 1995. - С. 71-82.

58. Токарь B.C. Получение качественных полуфабрикатов из медных сплавов. Уральский информационный центр, 1994. - 84 с.

59. Кривонищенко И.А., Прудников Ю.С., Сокунов Б.А. Применение специальных электрических машин в металлургии цветных металлов. // Электрические машины и электромашинные системы: Сб. научн. трудов ППИ. - Пермь, 1990. - С. 81-86.

60. Трусков С.А., Кривонищенко А.И. // Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях: Сб. научн. трудов. - М., 1995. - С. 53-57.

61. Прудников Ю.С., Установки для электромагнитного перемешивания MHJI3. II Черные металлы. - 1978. - № 22. - С. 36-47.

62. Специальная электрическая машина в литейном деле. / Ф.Н. Сарапулов, БА. Сокунов, А.И. Кривонищенко, Ю.Н. Юрьев, Д.К. Фигуровский, B.C. Токарь, С.А. Трусков, Б.Е. Балуков. // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств: Сб. научн. трудов. - М., 1995. - 155-158

63. Элементы расчета устройств индукционного воздействия на жидкие металлы / Б.А. Сокунов, Ф.Н. Сарапулов, Д.К. Фигуровский, Б.Е. Балуков, Ю.Н. Юрьев, А.И. Кривонищенко // Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях // Московская государственная академия приборостроения и информатики, Уральский государственный технический университет, АО "КУЗОЦМ", Москва, 1995. - С. 47-62.

64. Установки индукционного нагрева. Под ред. А.Е. Слухацкого. - Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1981. - 328 с. - илл.

65. Токарь B.C., Свинин В.И., Юрьев Ю.Н., Балуков Б.Е., Трусков С.А., Сокунов Б.А., Прудников Ю.С., Карташова В.А., Кривонищенко А.И. Электротехнологические установки в процессе литья цветных металлов / Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Сб. научн. трудов. -Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию, Уральский государственный технический университет, Уральское отделение Академии электротехнических наук АООТ "Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов", Екатеринбург, 1996. - С. 15-17.

66. Серебрянникова В.Н., Хабарова З.Г. Пластичность и прочностные свойства латуни Л-63 в области 20-900°С. // Цветные металлы. - 1975. - № 9. - С. 68-70.

»

1