СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ЧУГУННЫХ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК Российский патент 1999 года по МПК B22D13/00 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности технологии центробежного литья заготовок под флюсом.

Известна положительная роль легирования серых чугунов медью ("Медь в черных металлах" под ред. И. Ле Мэня и Л.М.Д. Шетки, М.: Металлургия, 1988). При избыточном количестве меди в чугуне сверх предела растворимости повышаются антифрикционные свойства и улучшается его обрабатываемость. Кроме того, повышается теплопроводность и теплостойкость чугуна в условиях термоциклирования.

Однако при центробежном литье заготовок из чугуна с содержанием меди сверх предела растворимости ее в металле под действием центробежных сил происходит сепарация элементов по удельному весу. Наружная поверхность заготовки обогащается медью, а внутренняя - обедняется.

Так как рабочим слоем цилиндровой втулки является внутренняя поверхность, которая подвергается термоциклированию, то эффект сепарации меди при отливке заготовок центробежным способом не позволяет получать литье с содержанием меди свыше предела растворимости ее во внутренних слоях металла. Кроме того, способ не обеспечивает воздействие на кристаллизацию металлов в процессе формирования и затвердевания заготовки в форме (изложнице) центробежной машины.

Известен способ получения центробежных заготовок с легированием чугуна медью в процессе заливки металла в форму (авт. св. СССР, N 1294450, кл. B 22 D 13/00, БИ N 9, 1987). По способу на струе металла от начала и до конца заливки дозируется смесь из медной окалины и флюса, а восстановитель меди (углерод, кремний, марганец, хром и др. элементы) вводится в чугун при его выплавке в печи выше требуемого марочного содержания в количестве, необходимом на восстановление меди из медной окалины. Способ позволяет легировать металл медью, а также воздействовать на кристаллизацию металла в процессе формирования и затвердевания заготовки в форме для повышения физико-механических свойств металла.

Однако способ не позволяет применять флюсы и легирующие добавки в больших количествах, так как их распределение и восстановление осуществляется за счет тепла перегретого металла. Опытом центробежного литья под флюсом установлено, что на струю металла на желоб заливочного устройства можно добавить смеси не более 1,0 - 1,2% массы заливаемого металла в форму.

Так как условия центробежного литья не позволяют применять модифицирующие или легирующие добавки в чистом виде, а только в смеси с флюсом, получить металл с содержанием меди от 1% и выше, при котором в условиях термоциклирования наблюдается явление сегрегации меди на межфазные и внешнюю поверхности металла, способом центробежного литья невозможно.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создать способ центробежного литья заготовок цилиндровых втулок, обеспечивающий получение литья с содержанием меди, превышающем пределы растворимости ее в металле во внутренних (рабочих) слоях заготовки, устраняющий образование ликвационных процессов при формировании и кристаллизации металла в форме, обеспечивающий равномерную твердость металла по сечению и улучшающий условия механической обработки и изнашивания в процессе эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что способ центробежного литья заготовок цилиндровых втулок, включающий выплавку металла, заливку во вращающуюся форму центробежной машины и дозирование модифицирующих и легирующих смесей на желоб заливочного устройства, согласно изобретению отличается тем, что выплавка металлов в печи производится с содержанием меди, близким к верхнему пределу растворимости ее в металле, а заливка металла в форму в объеме 0,6 - 0,8 массы заготовки производится с применением модифицирующей смеси, состоящей из ферросилиция и флюса в соотношении 2 : 1, а остальная масса заготовки заливается в форму с применением легирующей смеси, состоящей из медной окалины и флюса в соотношении 1 : 1.

При взаимодействии модифицирующей смеси с жидким металлом в процессе формирования центробежной заготовки ферросилиций воздействует на графитизацию металла, флюсовая составляющая смеси покрывает пленкой частицы ферросилиция и предохраняет его от окисления. Ферросилиций совместно с флюсом интенсифицирует процесс кристаллизации металла в форме и устраняет ликвационные процессы, в том числе и меди, способствуя повышению физико-механических свойств металла по сечению заготовки.

При взаимодействии легирующей смеси с жидким металлом в процессе формирования отливки в форме медная окалина восстанавливается элементами металла, обладающими сродством кислороду больше, чем медь. Исходя из ряда активности металлов элементы углерод, кремний, марганец, хром и др., входящие в состав металла, будут восстанавливать медь из медной окалины.

Интенсификация процесса кристаллизации металла смесью, равномерно подаваемой на струю металла, способствует получению качественных заготовок с равномерным распределением меди по толщине и длине формирующейся отливки, улучшая физико-механические свойства металла.

Заготовки формируются с равномерным распределением меди по сечению, содержание которой превышает предел растворимости ее в металле, а также с высокими физико-механическими свойствами.

Величина массы металла, которая выливается в форму под слоем модифицирующей смеси, определяется из условий получения внутреннего диаметра слоя металла готовой цилиндровой втулки, в котором содержание меди выше предела растворимости ее в металле. Кроме того, величина этого слоя должна быть несколько выше, чем допустимый размер износа втулки до выбраковки.

При заливке металла под модифицирующей смесью менее 0,6 массы металла заготовки увеличивается количество продуктов взаимодействия между металлом и легирующей смесью с образованием шлака с низкими технологическими свойствами, а также увеличивается расход дорогостоящей медной окалины. В случае заливки металла под модифицирующей смесью более 0,8 массы металла заготовки внутренний слой цилиндровой втулки будет иметь содержание меди, равное плавочному составу. Легированный слой металла заготовки в результате механической обработки будет удален или он окажется недостаточной величины, чтобы обеспечить в процессе всего срока эксплуатации цилиндровой втулки повышенные антифрикционные свойства.

Флюс легирующей смеси помимо защиты медной окалины от окомкования на желобе заливочного устройства и равномерного ее распределения по объему смеси должен ассимилировать вновь образовавшиеся окислы в результате взаимодействия между компонентами смесей и металлом. Для обеспечения новому составу флюса (шлаку) требуемых технологических свойств (низкой температуры плавления, вязкости, рафинирующей способности и др.) количество флюса в составе легирующей смеси увеличено по сравнению с модифицирующей смесью. Соотношение между флюсом и медной окалиной составляет 1 : 1.

Расплавленный флюс центробежными силами выносится на внутреннюю поверхность формирующейся заготовки в форме, способствуя направленной кристаллизации металла.

Пример. В условиях производства ОАО БМЗ проведены работы по отливке на центробежной машине заготовок из чугуна перлитного класса следующего химсостава: процент по массе C - 3,30; Mn - 0,60 - 0,90; Si - 0,80 - 1,40; P - не более 0,20; S - не более 0,15; Cr - 0,30 - 0,60; Ni - 0,30 - 0,40; V - 0,20 - 0,30; Ti - не более 0,05; Cu - 0,30 - 0,70. Плавку проводили в индукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой в количестве 190 кг. Металл заливали в изложницу диаметром 360 мм и длиной 300 мм, футерованную сыпучим огнеупорным материалом, с целью получения толщины стенки отливки в пределах 120 - 125 мм.

Для модифицирования металла приготовили смесь фракций до 1 мм следующего состава, % по массе: ферросилиций ФС75 - 65 и флюса 35,0. В качестве флюсовой составляющей использовали креолит, фтористый натрий, буру, борный ангидрит, шлак АНФ-29 и др.

Модифицирующую смесь в количестве 1,3 кг дозировали на струю металла на желоб заливочного устройства в течение заливки 125 кг чугуна. Во время заливки оставшейся порции металла на струю дозировали легирующую смесь в количестве 0,75 кг фракцией до 1,0 мм, состоящей на 50% из медной окалины и на 50% из флюса (шлака) АНФ-29. При температуре на внутренней поверхности заготовок 650 - 700^oC останавливали вращение изложницы и извлекали отливки. Заготовки имели качественную наружную поверхность. Внутренняя поверхность заготовок покрыта слоем шлака толщиной 2-3 мм.

Из заготовок отрезали образцы для исследования микро- и макроструктуры металла, послойного химического анализа и измерения твердости. Для выявления влияния термоциклирования на диффузию меди провели химические определения состава металла вблизи границ зерен поверхности хрупкого межфазного разрушения образца и обработанной поверхности механическим способом.

Анализ результатов исследований металла показывает, что при плавочном содержании меди, равной 0,84% по массе в твердом растворе железо - медь, находится не более 0,6 - 0,7%. Избыточная медь выделяется на межфазных поверхностях по границам зерен.

Результаты измерения теплопроводности чугуна показали, что прослойки меди на межфазных поверхностях раздела повышают теплопроводность металла на 30 - 70% по всему его объему, а на поверхностях изнашивания или обработки режущим инструментом повышаются антифрикционные свойства металла.

Медь играет роль твердого смазочного материала. Коэффициент трения за счет избирательного массопереноса атомов меди уменьшается на 20 - 25%. Кроме этого улучшаются условия обрабатываемости чугуна. Например, чугун с содержанием меди до 0,7 - 0,8% по массе и твердостью 260 НВ имеет такую же обрабатываемость, как и чугун без меди, но с твердостью до 200 НВ.

В условиях термоциклирования за счет массопереноса меди на границу трения цилиндровая втулка - поршневое кольцо повышается теплопроводность чугуна и его антифрикционные свойства, что прямо связано со значительным ростом его теплостойкости.

Способ предназначен для центробежного литья заготовок под флюсом. Способ включает выплавку чугуна, заливку его во вращающуюся форму центробежной машины, дозирование модифицирующих и легирующих смесей на струю металла. Выплавку чугуна в печи производят с содержанием меди, близким к верхнему пределу растворимости ее в чугуне. Заливку металла в форму в объеме 0,6-0,8 массы заготовки производят с применением модифицирующей смеси, состоящей из ферросилиция и флюса в соотношении 2:1. Остальную массу заготовки заливают в форму с применением легирующей смеси, состоящей из медной окалины и флюса в соотношении 1: 1. Способ обеспечивает равномерную твердость по сечению отливки, улучшение условий мехобработки.

Способ центробежного литья заготовок чугунных цилиндровых втулок, включающий выплавку металла, заливку его во вращающуюся форму центробежной машины, дозирование легирующей смеси на струю металла, отличающийся тем, что выплавку металла производят с содержанием меди, близким к верхнему пределу растворимости ее в металле, заливку металла в форму в объеме 0,6 - 0,8 массы заготовки проводят с дозированием на струю металла модифицирующей смеси, состоящей из ферросилиция и флюса в соотношении 2 : 1, а остальную часть металла заливают с дозированием на струю металла легирующей смеси, состоящей из медной окалины и флюса в соотношении 1 : 1.