СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1996 года по МПК B22D13/02 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии центробежного литья полых изделий.

Известен способ центробежной отливки прокатных валков /а.с. N 605676, кл. B 22 D 13/00, опубл. 05.04.78, Б.И. N 17/, в котором с целью получения износостойкого поверхностного слоя вводят подогретый до 400-900^oC легирующий порошок с удельным весом в 1,5-2,5 раза выше удельного веса заливаемого расплава.

Этот способ легирования и повышения износостойкости поверхностного слоя заключается в том, что вводимый легирующий порошок, например карбид вольфрама, под действием центробежных сил центрифугируется к наружной поверхности, образуя композиционный слой неравномерной твердости и износостойкости по сечению.

Указанный способ не приемлем для легирования наружного слоя легирующими порошками с меньшим удельным весом заливаемого расплава, а также для защиты внутренней поверхности наружного слоя от окисления с целью хорошей свариваемости разных слоев металла.

Известен также способ центробежного литья под жидким флюсом /а.с. N 445514, кл. B 22 D 13/00, опубл. 15.12.74, БИ N 37/, в котором целью является повышение химической и физической однородности центробежно литой заготовки за счет последовательного воздействия на металл металлических порошков и защитного флюса.

Способ заключается в том, что металлический порошок, поступающий в жидкий металл как более охлажденная фаза, а следовательно, и более тяжелая, чем жидкий металл, центробежными силами сепарируется навстречу продвижению фронта кристаллизации отливки, что обеспечивает направленное затвердевание ее, чем устраняет ликвацию элементов. Поступающий флюс, расплавляясь, вытесняется центробежными силами на свободную внутреннюю поверхность отливки, защищает ее от окисления.

Этот способ имеет те недостатки, что необходимо иметь одновременно легирующий порошок /можно и нелегирующий/ и легкоплавкий флюс. Легирование наружного слоя металлическими порошками очень затруднительно, т.к. он располагается /при равном удельном весе/ неравномерно по сечению, что будет сказываться на свойствах металла.

Известен также способ центробежного литья биметаллических заготовок /а. с. N 608602, кл. B 22 D 13/00, опубл. 18.05.78, БИ N 20/, в котором с целью повышения износостойкости рабочего слоя биметаллической заготовки во вращающуюся форму во время заливки рабочего слоя дозируют флюс, содержащий борный ангидрид.

Этот способ позволяет легировать /борировать/ только внутренний слой, хотя флюс дозируется на струю металла на всем протяжении заливки как первого, так и второго слоев. Это установлено и при исследовании химического состава, где бора в первом слоем /сталь/ 0,003% что не обеспечивает повышение износостойкости стальных отливок, т. к. необходимо 0,008-0,01% Содержание бора в стеллите составило 0,005% а для повышения износостойкости необходимо 0,005-0,007% Поэтому износостойкость внутреннего слоя /стеллита/ повысилась на 27%
Однако этот способ не приемлем для легирования труб из-за того, что легируется только внутренний /нерабочий/ слой, а необходимо легировать рабочий слой. Для достижения необходимого содержания легирующего вещества /0,025%/ в первом слое расход флюса следует увеличить в 4-5 раз, кроме того, наружная поверхность отливки не будет содержать необходимого количества бора, т.к. он располагается неравномерно по сечению, увеличиваясь с наружной поверхности к внутренней нерабочей.

Известен способ центробежного литья труб /а.с. N 1271642, B 22 D 13/02, опубл. 23.11.86, БИ N 43/, в котором целью является повышение точности геометрических размеров отливаемых труб при увеличении скорости вращения изложницы.

Способ заключается в том, что увеличение скорости вращения изложницы до расчетной проводят после кристаллизации металла на участке длиной 1,5-2,5 диаметра изложницы от ее торца, после чего изложнице сообщают продольное перемещение, а скорость ее вращения продолжают увеличивать выше расчетной на 1,5-3,5% на каждый метр продольного перемещения изложницы.

Предложенный способ не позволяет обеспечить получение на готовых изделиях защитного слоя, что ведет к необходимости проведения химико-термической операции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ центробежного литья /а.с. N 776743, B 22 D 13/02, опубл. 07.11.80, БИ N 41/, в котором целью являются повышение эффективности легирования и улучшение качества расплава.

Способ заключается в следующем. Расплав заливают во вращающуюся изложницу, и на струю металла подают легирующие компоненты. В качестве легирующего вещества используют азотсодержащий ферросплав. На внутреннюю поверхность тела вращения, образованную расплавом до его кристаллизации, подают жидкий кислый ваграночный шлак. При этом количество шлака составляет 6-13% и в его состав входит 0,4-0,6% плавикового шпата от веса залитого раствора.

К недостаткам указанного способа относится недостаточная равномерность получаемого легированного слоя, что приводит к снижению долговечности внутренней поверхности.

Кроме того, известный способ имеет еще ряд недостатков:
ограниченная возможность использования легких легирующих материалов для легирования первого рабочего слоя;
необходимость приготовления специальных шлаков с определенной степенью дисперсности составляющих элементов;
трудность достижения равномерной твердости по сечению и глубине рабочего слоя трубы;
необходимость временного смешивания во вводе модифицирующих добавок, не увязанная с температурными и геометрическими параметрами изделия, что приводит к значительному разбегу данных по твердости для различных типоразмеров труб;
невозможность равномерного распределения шлака по всей внутренней площади изделия, следствием чего, кроме неравномерности, долговечности, являются наличие затвердевания шлака на поверхности и наличие жидкоподвижного шлака, препятствующего процессу легирования.

Целью предлагаемого технического решения является повышение долговечности внутренней поверхности полых изделий, получаемых центробежным литьем без проведения дополнительной операции термохимической обработки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе центробежного литья полых изделий, включающем заливку расплава во вращающуюся изложницу, формирование изделия и его легирование, легирование осуществляют после кристаллизации внутреннего слоя металла путем термодиффузии легирующими добавками минимум в два этапа, при этом на первом этапе легирование осуществляют при T₁ T (250-270)^oC и V₁ (0,9-0,95)V в течение 0,0016-0,5 часа, а последний этап проводят при T₁ T - (280-350)^oC и V₁ (0,7-0,85)V в течение 0,05-0,1 часа при общем времени легирования не более 0,2 часа, где Т температура внутреннего слоя металла изделия; T₁ температура внутреннего слоя металла изделия при легировании; V скорость вращения изложницы при заливки; V₁ скорость вращения изложницы при легировании.

В изложницу, вращающуюся с расчетной скоростью V, заливают расплав металла. Вращение осуществляют с заданной скоростью V до полного формирования изделия и достижения внутренним слоем металла изделия температуры T₁ ≅ T (250-270)^oC, после чего скорость изложницы снижают до V₁ (0,9-0,95)V и одновременно подают во внутреннюю полость изделия диффузанта. Скорость V₁ (0,9-0,95>V выдерживают в течение 0,0016-0,005 часа, после чего ее понижают до следующего заданного по технологии значения в соответствии с падением температуры.

На конечном этапе при температуре T₁ T (280-350)^oC изложницу вращают со скоростью, составляющей 0,7-0,85 от ее скорости при заливке. При этом длительность взаимодействия новой порции диффузанта и металла изделий должна составлять 0,05-0,01 часа. Общая длительность процесса легирования при любом количестве этапов составляет не более 0,2 часа.

Предлагаемый способ центробежного литья был опробован при отливке стальных труб.

При изготовлении труб из стали 150 ХНМ диаметром 150 мм толщиной стенки расчетная скорость вращения изложницы при заливке составляет 600,0 об/мин.

Пример 1. При осуществлении легирования жидким диффузантом легирование осуществляют в три этапа. При этом на первом этапе:
V₁ 550 об/мин; Т₁ 1200^oC; t 0,03 час;
на втором этапе:
V₁ 500 об/мин; T₁ 1150^oC; t 0,04 час;
на третьем этапе:
V₁ 450 об/мин; Т₁ 1100^oC; t 0,05 час
при общем времени τ = 0,11 час
Пример 2. При использовании в качестве диффузанта газа легирование осуществляют в два этапа. При этом на первом этапе: V₁ 550 об/мин; T₁ 1200^oC; t 0,03 час
на втором этапе
V₁ 500 об/мин; Т₁ 1100^oC; t 0,03 час;
при общем времени τ = 0,07 час
Пример 3. При использовании твердых диффузантов легирование осуществляют в 4 этапа, при этом на первом этапе
V₁560 об/мин; T₁ 1200^oC; t 0,02 час;
на втором этапе
V₁ 520 об/мин; Т₁ 1170^oC; t 0,04 час;
на третьем этапе
V₁ 470 об/мин; T₁ 1150^oC; t 0,06 час;
на четвертом этапе
V₁=430 об/мин; Т₁ 1100^oC; t 0,07 час
при общем времени термодиффузии τ = 0,19 час
Предлагаемый способ получения центробежным литьем полых изделий, например труб, с легированной внутренней поверхностью позволяет осуществить операцию легирования в процессе литья, исключая отдельную операцию термохимической обработки, что ведет к снижению затрат при производстве и удешевлению изделия при высоком качестве и долговечности внутренней поверхности полых изделий.

Сущность изобретения: способ включает заливку расплава во вращающуюся изложницу, формирование изделия и его легирование. Легирование осуществляют в два этапа после формирования изделия путем обработки диффузантом внутренней поверхности, при этом T₁ = T - (250-270)^oC и V₁ = (0,9-0,95)V в течение 0,0016-0,05 часа, а последний этап проводят при T₁ = T - (280-350)^oC и V₁ = (0,7-0,85)V в течение 0,05-0,01 часа при общей длительности легирования не более 0,2 часа, где Т - температура ликвидуса внутреннего слоя металла изделия; T₁ - температура внутреннего слоя металла изделия при операции легирования; V - скорость вращения изложницы при заливе; V₁ - скорость вращения изложницы при легировании.

Способ центробежного литья полых изделий, включающий заливку расплава во вращающуюся изложницу, его кристаллизацию и легирование, отличающийся тем, что легирование осуществляют минимум в два этапа после кристаллизации внутреннего слоя металла путем его обработки диффузантом, при этом на первом этапе легирование проводят при Т₁ Т (250 270)^oC и V₁ (0,9 0,95)•V в течение 0,0016 0,05 ч, а последний этап при T₁ Т (280 350)^oС и V₁ (0,7 0,85)•V в течение 0,05 0,01 ч при общем времени легирования не более 0,2 ч, где
Т температура ликвидуса внутреннего слоя металла изделия;
T₁ температура внутреннего слоя металла изделия при операции легирования;
V скорость вращения изложницы при заливке;
V₁ скорость вращения изложницы при легировании.