кристаллизатор

Формула изобретения

КРИСТАЛЛИЗАТОР, выполненный со стенками из медьсодержащего материала и двухслойным защитным покрытием рабочей поверхности, включающим базовый металлический слой и рабочий слой из тугоплавкого материала, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено трехслойным с дополнительным промежуточным слоем, сформированным между базовым и рабочим слоями, причем в качестве металла базового слоя используют d-переходный металл IV - VI групп Периодической системы либо алюминий или их сплавы, в качестве тугоплавкого материала с рабочего слоя химическое соединение стехиометрического состава металла базового слоя с одним или несколькими металлоидами из группы: азот, углерод, бор, кремний, кислород, а промежуточный слой состоит из металла базового слоя и металлоидов, входящих в состав рабочего слоя, при этом содержание металлоидов в промежуточном слое увеличивается в направлении к рабочему слою.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к непрерывному литью в кристаллизаторы скольжения.

Известны кристаллизаторы с графитовыми рабочими стенками и холодильниками из меди, либо медного сплава. Известные кристаллизаторы имеют малую долговечность, особенно при литье технической (кислородсодержащей) меди, медноникелевых, медноцинковых и ряда других сплавов из-за химического взаимодействия графита с кислородом, никелем, а также вследствие малой износостойкости. Кроме того, графитовый кристаллизатор вследствие пониженной теплопроводности стенок отличается невысокой интенсивностью теплопередачи. Для его изготовления требуются дорогостоящие и дефицитные марки высокоплотного графита.

Известны графитовые кристаллизаторы с рабочей поверхностью, выполненной из материалов, повышающих их износостойкость. К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании данных устройств относится недостаточная их надежность и долговечность вследствие отслаивания рабочего слоя при эксплуатации. Кроме того, им присущи отмеченные выше недостатки, обусловленные физическими свойствами используемого для их изготовления графита.

Известны кристаллизаторы с металлическими рабочими стенками, выполненными из меди либо медных сплавов, покрытые хромом, обеспечивающим высокую твердость рабочей поверхности. К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании кристаллизаторов с отмеченным защитным покрытием относится то, что они обладают низкой противозадирной стойкостью и высокими значениями коэффициента трения при скольжении в паре с отливаемым металлом (сплавом). Кроме того, в процессе эксплуатации снижается твердость хромового покрытия, повышается его адгезионная способность, образуются и расширяются трещины на его поверхности вследствие низкой термической стойкости. Недостаточная эффективность хромового покрытия на медной стенке подтверждается и практикой эксплуатации соответствующих кристаллизаторов, свидетельствующей об интенсивном разрушении и отслаивании этого покрытия, особенно в зонах повышенных температур и тепловых потоков.

Наиболее близким устройством того же назначения к предложенному объекту по совокупности признаков является кристаллизатор со стенками, выполненными из меди или медного сплава, имеющими защитное покрытие рабочей поверхности, включающее базовый металлический слой (подслой) и рабочий слой из тугоплавкого химического соединения. Указанный кристаллизатор принят за прототип. В качестве базового металлического слоя в нем используют сплав никеля с алюминием, а в качестве рабочего слоя применяют силикат циркония либо оксид циркония в комбинации с оксидом кальция, оксидом алюминия, а также оксидом титана. К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве невозможно обеспечить прочную адгезионную связь рабочего слоя (инертного тугоплавкого соединения) с насыщенными химическими связями) с базовым слоем из никель-алюминиевого сплава. Кроме того, существует плохая совместимость физических характеристик (например, коэффициентов термического расширения) базового и рабочего слоев, а также низкое сопротивление термическим ударам материала рабочего слоя. В совокупности отмеченное приводит к быстрому растрескиванию и отслаиванию рабочего слоя при эксплуатации, увеличению коэффициента трения, снижению долговечности кристаллизатора и качества поверхности литых заготовок.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено изобретение, предусматривает увеличение долговечности кристаллизатора и улучшение качества литых заготовок путем уменьшения трения между литой заготовкой и стенкой, снижения износа рабочей поверхности стенки, обеспечения стабильности покрытия при эксплуатации.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в достижении низкой адгезионной активности поверхности кристаллизатора в контакте с литой заготовкой, снижении деформационной компоненты силы трения, обеспечении высокой сопротивляемости термическим ударам и прочного сцепления покрытия со стенкой кристаллизатора при сохранении высокой интенсивности теплопередачи.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кристаллизаторе со стенками из меди или медного сплава с защитным покрытием рабочей поверхности, включающим базовый металлический слой и рабочий слой из тугоплавкого химического соединения, базовый слой состоит из -переходного металла IV-VI групп периодической системы, либо алюминия или их сплавов, а рабочий слой из химических соединений стехиометрического состава металла базового слоя с одним или несколькими металлоидами из группы: азот, углерод, бор, кремний, кислород, причем между базовым и рабочим слоями расположен промежуточный слой из металла базового слоя и металлоидов, входящих в состав рабочего слоя, при этом содержание металлоидов в промежуточном слое увеличивается в направлении к рабочему слою.

Приведенная совокупность признаков находится в причинно-следственной связи с вышеизложенным техническим результатом следующим образом. Входящие в состав рабочего слоя продукты взаимодействия переходных металлов IV-VI групп периодической системы элементов с незаполненными -электронными оболочками (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W), а также алюминия именно с металлоидами группы C, N, B, Si, O обладают необходимым для решения поставленной задачи комплексом свойств: тугоплавкость, высокая износостойкость, низкая адгезионная и химическая активность в контакте с литой заготовкой из цветных металлов и сплавов, содержащих химически активные компоненты (O, Ni, Fe и др.). Кроме того покрытия из тугоплавких химических соединений -переходных металлов с металлоидами, наносимые, например, эффективным вакуумным ионно-плазменным методом, отличаются повышенной плотностью и низкой шероховатостью (практически сохраняется шероховатость исходной полированной поверхности стадии). Отмеченное способствует снижению деформационной (пропахивающей) компоненты силы трения. В результате достигается комплексное снижение и стабилизация коэффициента трения при эксплуатации за счет одновременного уменьшения адгезионной и деформационной компонент силы трения. При этом твердость рабочего слоя предложенного состава существенно превышает твердость графита и хрома, что обеспечивает повышенную износостойкость покрытия.

Базовый слой из -переходного металла, использованного в составе рабочего слоя, и промежуточный слой, состоящий из твердых растворов или псевдорастворов металлоидов в металле или сплаве базового слоя и соответствующих тугоплавких твердых химических соединений, обеспечивают плавное изменение физических и механических свойств слоев при переходе от стенки (медь или медный сплав) к рабочему слою. Этому же способствует и возрастание содержания металлоида в промежуточном слое в направлении к рабочему слою. Тем самым обеспечивается сближение коэффициентов термического расширения, прочности, теплопроводности слоев. Отмеченное особенно важно на этапе начала литья и его завершения, когда имеет место тепловой удар и возникают значительные градиенты температур в слоях. Это сопровождается различной степенью их расширения (сжатия), что предопределяет возникновение в слоях покрытия термических напряжений. При этом благодаря предлагаемому выбору материалов последовательно расположенных слоев обеспечивается сближение физических свойств соседних слоев, в т.ч. коэффициентов термического расширения, что создает необходимую сопротивляемость рабочего, промежуточного и базового слоев растрескиванию под действием термических напряжений. Это обеспечивает стабильность покрытия при эксплуатации кристаллизатора.

Вышеизложенное подтверждает необходимость и достаточность приведенной совокупности признаков для достижения технического результата, т.е. доказывает существенность признаков формулы предложенного изобретения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах предложенного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить в предложенном объекте совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, предложенное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия предложенного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предложенного изобретения, результаты которого показывают, что предложенное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками предложенного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, предложенное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Нижний предел толщины рабочего слоя обусловлен выполнением требования обеспечения износостойкости и механической прочности слоя с целью исключения возможного его продавливания и прогибания на нижележащем слое при механическом контакте с коркой литой заготовки. Верхний предел толщины рабочего слоя определяется допустимыми значениями его термического сопротивления. При увеличении толщины рабочего слоя снижается интенсивность теплопередачи в кристаллизаторе и производительность литейной установки.

Нижние пределы толщин промежуточного и базового слоев выбирают с учетом того, чтобы эти слои выполняли функцию достаточно эффективного сглаживания температурных напряжений (сдвигающих), способность вызвать отслаивание покрытия. Это особенно важно при литье сплавов с достаточно высокими температурами плавления (никелевые, медноникелевые, медные). Верхние пределы толщин промежуточного и базового слоев определяются допустимыми значениями термического сопротивления покрытия, непосредственно связанного с интенсивностью теплопередачи и предельными скоростями вытягивания слитка. При этом верхние пределы толщин базового и промежуточного слоев меньше верхнего предела толщины рабочего слоя, поскольку при наличии рабочего слоя они не подвергаются износу ввиду отсутствия контакта этих слоев с вытягиваемой литой заготовкой.

Для литья относительно мягких сплавов на основе цинка, свинца, олова, в контакте с которыми менее выражен износ рабочего слоя, основной и единственной функцией рабочего слоя является обеспечение механических характеристик поверхности контакта, что может быть реализовано путем выполнения рабочего слоя в виде погранслоя. При литье этих легкоплавких сплавов температурные градиенты в слоях покрытия и в стенке кристаллизатора достаточно низкие, что обуславливает высокую сопротивляемость слоев растрескиванию. В этом случае снижаются требования к степени плавности изменения физических свойств, в т. ч. коэффициента термического расширения от одного слоя к другому. Поэтому возможны случаи выполнения промежуточного слоя в виде погранслоя при значимых толщинах рабочего и базового слоев. Тогда основной функцией промежуточного слоя является сочленение рабочего и базового слоев. По другому варианту возможно выполнение базового слоя в виде погранслоя при значимых толщинах рабочего и промежуточного слоев. Тогда основной функцией базового слоя является обеспечение прочного сочленения покрытия со стенкой кристаллизатора.

П р и м е р. Для литья прутков диаметром 16 мм из технической меди использовали кристаллизатор длиной 100 мм с медной гильзой, имеющей трехслойное покрытие: Cr (со стороны меди); Cr-O (промежуточный слой переменного состава); Cr₂O₃ (рабочий слой). Покрытие получали следующим способом: на предварительно подготовленную поверхность медной стенки вакуумным ионно-плазменным методом наносили слой Cr толщиной 5 мкм, а затем тем же способом с постепенным напуском реактивного газа (кислорода) формировали промежуточный слой системы Cr-O толщиной 10 мкм с увеличением концентрации кислорода по мере утолщения слоя в направлении к рабочему слою, для чего содержание активного компонента газовой среды (кислорода) увеличивали по мере утолщения промежуточного слоя. Затем наносили рабочий слой Cr₂O₃ стехиометрического состава по всей толщине слоя (20 мкм) путем поддержания в процессе его нанесения определенного содержания активного компонента газовой среды.

Литье проводили со скоростью вытягивания 20 м/ч. Процесс литья был стабильным, обеспечивалось хорошее качество литых заготовок, а также высокая долговечность кристаллизатора благодаря сочетанию высоких трибологических характеристик рабочего слоя (высокая антифрикционность, повышенная износостойкость). Вследствие сочетания слоев покрытия с плавным изменением физических характеристик обеспечивалась стабильность покрытия при эксплуатации.

Результаты сравнительных испытаний кристаллизатора, изготовленного по данному изобретению и техническому решению, взятому за прототип, представлены в таблице. Как видно из приведенных результатов, разработанный кристаллизатор обеспечивает существенное повышение долговечности рабочих стенок и улучшение качества литых заготовок сравнительно с известным кристаллизатором.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предложенного изобретения следующей совокупности условий:

средство, воплощающее предложенное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в металлургической технологии непрерывного литья в кристаллизаторы скольжения;

для предложенного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

средство, воплощающее предложенное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, предложенное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.