Теория и практика использования бегущего магнитного поля при заполнении литейной формы получении отливок из алюмниевых сплавов

Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана

М.Б. Каменарович

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
БЕГУЩЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
И ПОЛУЧЕНИИ ОТЛИВОК
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Монография

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2008

УДК 621.746.74
ББК 34.61
К18

Рецензенты:
заслуженный деятель науки РФ, проф., д-р техн. наук  А.П. Трухов;
канд. техн. наук, доцент кафедры «Литейные технологии»
МГТУ им. Н.Э. Баумана  Э.Ч. Гини

К18
Каменарович М.Б. Теория и практика использования бегущего магнитного поля при заполнении литейной формы и получении отливок из алюминиевых сплавов: Монография. — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 268 с.

ISBN 978-5-7038-3201-1

В книге изложены результаты исследований применения бегущего
электромагнитного поля для получения отливок из алюминиевых сплавов,
выполненных преимущественно на кафедре «Машины и технология литейного производства» МГТУ МАМИ, а также в Калужском филиале
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
На основе единых теоретических представлений магнитной гидродинамики и процессов взаимодействия жидкого металла с литейной формой
обобщен практический материал по исследованию течения металла в литейной форме, образованию литейных дефектов и формированию усадочной раковины, а также получению промышленных отливок.
Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работников в
области литейного производства. Может представлять интерес для студентов и аспирантов, связанных с литейным производством.

УДК 621.746.74
ББК
34.61

©
Каменарович М.Б., 2008
©
Издательство МГТУ
ISBN 978-5-7038-3201-1
им. Н.Э. Баумана, 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга представляет собой монографию о применении бегущего
магнитного поля в литейном производстве. В ней обобщен опыт
исследований, связанных с течением металла, получением отливок
в бегущем электромагнитном поле, влиянием электромагнитного
поля на структуры и температурные поля отливок из алюминиевых
сплавов, а также на плотность и механические свойства отливок.
Рассмотрено получение тонкостенных протяженных отливок из
алюминиевых сплавов в МГД-кокилях. Современное литье представляет собой сложные по конструкции детали из различных
сплавов, требующие высоких технических характеристик. Обеспечение этих характеристик не всегда обеспечивается современными
технологическими способами. Поэтому применение бегущего магнитного поля в МГД-формах является перспективным, несмотря на
«забвение», связанное с социально-экономическими преобразованиями.
Вопросам заливки литейных форм с помощью электромагнитных
полей посвящено много исследований, и среди них большое количество работ составляют работы, решающие задачи улучшения заполнения литейных форм под электромагнитным давлением (ЛЭМД).
Это научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы
по созданию специальных машин ЛЭМД, снабженных электромагнитными насосами для принудительного заполнения формы. Идея
создания таких машин была предложена Л.А. Верте, научные основы заложены трудами И.М. Кирко, И.Л. Повха, А.Н. Вольдека.
Давление в ЛЭМД на жидкий металл создается электромагнитным насосом, работающим как на кондукционном, так и на индукционном принципе.
Разработкой машин литья под электромагнитным давлением занимались научные коллективы под руководством В.П. Полищука
(ИПЛ АН УССР, г. Киев), А.Э. Микельсона и Ю.М. Гельфгата (ИФ
АН Латв. ССР, г. Рига), В.Н. Васенина (г. Пермь).
Приоритет в применении бегущего магнитного поля для получения отливок принадлежит МГТУ МАМИ. Приблизительно с
конца 60-х годов прошлого века эти работы проводились на литей

ной кафедре Московского автомеханического института под руководством профессора Б.В. Рабиновича. Работы проводились в тесном содружестве с лабораторией магнитной гидродинамики, руководитель А.Э. Микельсон, г. Рига.
Метод литья в бегущем магнитном поле, основанный на отечественных изобретениях, разработанный в Московском автомеханическом институте, принципиально отличается от указанных выше разработок. Это отличие состоит в том, что бегущее поле накладывается на всю полость литейной формы, включая литниковую систему. В этом случае величина электромагнитной силы, а с
ней и электромагнитное давление повышаются, что способствует
улучшению заполнения литейной формы, снижению пористости в
отливках, повышению механических свойств.
На фоне общего «забвения» применения и исследования МГДявлений положительным можно считать сообщение, что в Институте
механики сплошных сред (ИМСС) УрО РАН прошла Международная конференция «Пермские дни динамо», посвященная проблемам
изучения магнитно-гидродинамического динамо (МГД-динамо).
Форум собрал представителей всех экспериментальных динамогрупп мира — физиков-теоретиков и астрофизиков из США,
Франции, Великобритании, Германии, Латвии, Испании, Польши,
а также российских ученых из Москвы, Троицка, Иркутска. Обсуждалась теория МГД-динамо. МГД-динамо — это явление возбуждения магнитных полей потоком проводящей жидкости. Оно относится к разряду так называемых критических и наблюдается в природе на объектах космического масштаба. По современным представлениям, существование магнитного поля Земли, Солнца и других космических объектов обусловлено именно этим явлением.
Проблема МГД-динамо является одной из наиболее интригующих
задач современной фундаментальной науки, прежде всего гидродинамики и астрофизики. Во многом это объясняется тем обстоятельством, что от состояния магнитного поля Солнца и Земли зависит как судьба человеческой цивилизации в целом, так и здоровье каждого отдельного биологического объекта.
До недавнего времени фактором, существенно ограничивавшим
развитие теоретических моделей, оставалось несовершенство экспериментальных методов: только на рубеже третьего тысячелетия
удалось научиться воспроизводить в земных условиях несложные

режимы возбуждения магнитного поля в течении проводящей
жидкости. Стоит подчеркнуть, что лабораторная реализация эффекта связана с построением очень сложных и дорогостоящих экспериментальных установок, что по силам лишь некоторым исследовательским центрам. Сегодня такие работы идут в восьми лабораториях: Лос-Аламосе, Мериленде и Мэдисоне (все три в США),
Риге (Латвия), Кадараше и Гренобле (Франция), Карлсруэ (Германия) и Перми [1].
В монографии автор делает попытку обобщить теоретические и
практические результаты проведенных исследований, так как тема
и результаты актуальны и в настоящее время.

ГЛАВА 1

МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА
ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ

Технологический процесс изготовления литых деталей наряду с
изготовлением литейной формы и приготовлением сплава включает в себя такие этапы, как заливка формы металлом и формирование кристаллического строения отливки. Качество отливки является решающим фактором при оценке технологии, поэтому процесс
формирования свойств отливки в целом представляет собой основное звено технологического процесса. Известно, что на качество
литых деталей отрицательное влияние оказывает усадка металла, с
которой связано образование усадочных раковин, пористости, горячих и холодных трещин, внутренних напряжений, коробления, а также явления взаимодействия жидкого металла с формой, в результате чего происходит образование пригара, газовых раковин и т.п.
Большое значение оказывает процесс образования структуры, а
следовательно, и механических свойств отливки, которая определяется условиями первичной кристаллизации. Перечисленные элементы являются частными случаями общего процесса формирования отливки, связанного с различными физическими, химическими, тепловыми явлениями. Большинство этих процессов протекает
в тот период, когда отливка, находясь в форме, затвердевает и потом охлаждается. Следовательно, протекание процесса формирования основных свойств отливки в целом обусловливается изменением теплового состояния жидкого расплава, его охлаждения и
затвердевания в форме. Наличие жидкого расплава при затвердевании обеспечивает компенсацию усадки определенных мест отливки. Поэтому плотность, герметичность и прочность литых
сплавов с различной структурой зависят от условий питания их в

период кристаллизации. Однако компенсация усадки сплавов не
всегда протекает в полном объеме, что вызывает образование в отливках раковин и пористости. Поэтому оба процесса — кристаллизация и питание отливок — должны рассматриваться в непрерывной связи друг с другом. По современным представлениям [2, 3],
питание отливки при её затвердевании происходит в три стадии:
1) питание массой жидкого металла;
2) питание двухфазной жидко-твердой массой;
3) фильтрационное питание остаточным ликватом.
На первой стадии питание отливки протекает беспрепятственно
и происходит полная компенсация усадки. На второй и третьей
стадиях движение питающего сплава затрудняется структурным и
гидродинамическим сопротивлением. Следовательно, учитывая
взаимную связь процессов кристаллизации и питания, важным
фактором повышения качества отливок является управление формированием кристаллического строения на стадиях питания двухфазной жидко-твердой массой и фильтрационным питанием остаточным ликватом.

1.1.
ПРИМЕНЕНИЕ ВИБРАЦИИ

Один из методов улучшения структуры металла, позволяющий
снизить пористость, уменьшить газонасыщенность и резко измельчить его кристаллическое строение, — метод вынужденного движения расплава в форме при затвердевании. Возможность улучшения свойств слитка сотрясением или в результате перемешивания
во время затвердевания высказана впервые Д.К. Черновым [112].
Идея Д.К. Чернова была реализована В.И. Тыжновым [4, 107]
(рис. 1.1). Результаты работ показали, что периодическое сотрясение изложницы значительно увеличивает плотность слитка, улучшает структуру и механические свойства металла.
В литейном производстве при получении отливок нашло распространение вибрирование формы [4, 8, 96]. При непрерывном
литье хорошие результаты получены при введении вибратора непосредственно в расплав лунки [4] (рис. 1.2).
Металлы и сплавы, как правило, содержат активные нерастворимые примеси. Такие примеси, в силу специфики технологии плавки, дезактивируются высоким перегревом. Заливка в реальных ус

ловиях ведется при перегревах, меньших чем перегрев, достигаемый
во время плавки. В этой связи для большинства способов литья возможно использование эффекта кратковременного вибрирования для
измельчения кристаллического зерна в отливках и слитках.

Рис. 1.1. Схема устройства для встряхивания изложницы:
1 — изложница; 2 — рычаг; 3 — кулачок привода; 4 — наковальня; 5 — расплав

Рис. 1.2. Схема вибрирования расплава в форме:
а — вибростол; б — введение вибрации инструментом
через дно изложницы; в — то же сверху;
1 — форма (изложница); 2 — расплав; 3 — плита; 4 — вибратор

В литейной лаборатории МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан
способ кратковременного вибрирования расплава при литье — это
способ литья через вибрируемое заливочное устройство [4]. Способ
литья, результаты опробования его для литья слитков и фасонных
отливок из алюминия, меди, цинка, алюминиевых сплавов, углероди

стой и легированной сталей, а также исследование механизма действия вибрации описаны в различных статьях (например, [4, 35]).

Рис. 1.3. Схема вибрирования расплава в лунке при непрерывном литье:
1 — виброинструмент; 2 — вибратор

Коротко суть способа литья через вибрируемые заливочные
устройства состоит в следующем. Расплав подвергается вибрации
во время заливки не в форме, а при течении его в промежуточном
заливочном устройстве. На рис. 1.4 приведена схема заливки формы через вибрируемые воронку и желоб; форма в этом случае остается в покое. На рис. 1.5 дана схема заливки через те же вибрируемые устройства при непрерывном литье.

Рис. 1.4. Схема заливки через вибрируемые заливочные устройства:
а — через воронку; б — через желоб;
1 — воронка (желоб); 2 — ковш; 3 — вибратор; 4 — кронштейн; 5 — форма

Рис. 1.5. Схема заливки через вибрируемые заливочные устройства
при непрерывном литье:
а — через воронку; б — через желоб;
1 — кристаллизатор; 2 — воронка (желоб); 3 — вибратор;
4 — кронштейн; 5 — станина; 6 — жидкий металл из миксера

Оба способа успешно опробованы. На рис. 1.6 представлена макроструктура разрезов отливок тройника, залитых алюминием А0 в
песчаные формы без вибрации (рис. 1.6, а) и через виброворонку
(рис. 1.6, б). Температура заливки — 1000 K, масса отливки — 0,5 кг,
продолжительность заливки — около 1,0 с; частота вибратора —
230 Гц; амплитуда — 0,1 мм; мощность привода вибратора — 1,0 кВт.

а
б

Рис. 1.6. Макроструктура тройника из А0:
а — залито в песчаную форму без вибрации; б — залито через виброворонку [4, с.247]