Pełna nazwa: Sposób i urządzenie do wykonywania wlewków metalowych o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i ze stopów wysokotopliwych

Zespół
Mgr inż. Krzysztof Jaśkowiec – kierownik zespołu, mgr inż. Łukasz Boroń, mgr inż. Andrzej Gwiżdż, mgr inż. Marek Kranc, dr hab. inż. Zenon Pirowski – prof. IO, dr Krystyna Rabczak, mgr inż. Wojciech Wierzchowski

Istota wynalazku

Uzyskiwanie struktury tiksotropowej w stopach metali polega na doprowadzeniu fazy pierwotnej, austenitu w przypadku żeliwa, do postaci granularnej, przez co faza ta przyjmuje zawiesiny w otoczeniu niżej topliwych elementów struktury w stanie półciekłym, zwanym stanem semi-solid. W przypadku stopów odlewanych polega to na wymuszeniu krystalizacji niedendrytycznej fazy pierwotnej stopu, polegającym na mieszaniu mechanicznym, bądź elektromagnetycznym kąpieli metalowej w czasie jej stygnięcia od temperatury przegrzania powyżej temperatury likwidus do temperatury w zakresie likwidus-solidus (TL; TS). Proces wytwarzania zawiesiny tiksotropowej o pożądanej strukturze wymaga osiągnięcia stanu równowagi pomiędzy szybkością ścinania dendrytów wywołanego wymuszonym ruchem metalu i szybkością stygnięcia.

Do otrzymywania struktury tiksotropowej w sposobie i urządzeniu według wynalazku wykorzystane jest zjawisko polegające na szybkim zarodkowaniu fazy pierwotnej stopu pod wpływem intensywnego chłodzenia płynącej strugi ciekłego metalu dzięki czemu istnieją warunki sprzyjające dla procesu wzrostu dużej ilości trwałych zarodków fazy pierwotnej równomiernie rozłożonych w strefie o temperaturze w zakresie likwidus-solidus (TL; TS), co w połączeniu z ruchem metalu zapobiega krystalizacji dendrytycznej. Struga ciekłego metalu płynie po materiale o dobrych cieplnych właściwościach izolacyjnych, a wymuszone intensywne chłodzenie przebiega pod wpływem zetknięcia się górnych warstw strugi metalu z kołem chłodzącym, chłodzonym w sposób kontrolowany i obracającym się w kierunku strugi. Trwałe zarodki krystalizacji są w ruchu do momentu powstania strefy semi-solid zawierającej zawiesinę tiksotropową w komorze krystalizacji semi-solid, skąd metal, w postaci także zawiesiny, wpływa do krystalizatora i dalej, już zestalony i po ochłodzeniu, wyciągany jest w sposób ciągły w postaci wlewka, do chwili zakończenia procesu zasilania strugi ciekłym metalem. Taki proces przyjmuje cechy stanu ustabilizowanego polegającego na ustalonej szybkości wytwarzania zawiesiny semi-solid dzięki sterowaniu temperaturą wyjściową metalu ciekłego, ilością wypływającego metalu, parametrami chłodzenia strugi metalu, na które składają się szybkość obrotowa koła chłodzącego i wielkość strumienia przepływu wody chłodzącej koło. Szybkość wyciągania wlewka jest pochodną szybkości procesu wytwarzania zawiesiny semi-solid. Układ sterowania oparty jest o ciągłą kontrolę temperatury metalu w strefie semi-solid. Wlewki stanowią półprodukt wyjściowy dla procesu kształtowania przedmiotów o strukturze tiksotropowej poprzez kucie, prasowanie lub odlewanie.

Urządzenie do wykonywania wlewka metalowego o strukturze tiksotropowej, zwłaszcza z żeliwa i stopów wysokotopliwych, zbudowane jest z kadzi pośredniej wyposażonej w system pomiaru temperatury ciekłego metalu i w system regulacji wydatku metalu, pod jej otworem spustowym zainstalowana jest pochyła płyta z izolacyjnego cieplnie materiału ognioodpornego z uformowaną wzdłuż jej długości rynną, zakończoną w dolnej części w wyposażoną w termoelement komorę krystalizacji semi-solid i połączoną z nią komorą krystalizacji i formowania wlewka, a ta połączona jest z mechanizmem wyciągania wlewka. Nad końcową dolną częścią pochyłej płyty, przed komorą krystalizacji semi-solid, w pionowej płaszczyźnie symetrii rynny zainstalowane jest koło chłodzące.

Urządzenie wyposażone jest w układ sterowania na podstawie pomiaru temperatury wylewanego ciekłego metalu i pomiaru temperatury metalu w obszarze strefy semi-solid w środkowym punkcie komory krystalizacji semi-solid. Reguluje się szybkość wyciągania wlewka będącą pochodną szybkości procesu wytwarzania zawiesiny semi-solid.

Potencjał komercjalizacji

Uzyskanie struktury tiksotropowej otrzymywanych wlewków umożliwia osiąganie właściwości mechanicznych stopu odlewanego przewyższających znacznie właściwości stopu po przeróbce plastycznej, co przy tradycyjnym procesie krystalizacji jest nieosiągalne.