СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ДВУХСЛОЙНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ Российский патент 2005 года по МПК B22D13/02 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к центробежному литью чугунных валков.

Известен способ получения двухслойных прокатных валков [1]. По этому способу заливают наружный слой легированным чугуном, производят выдержку для формирования рабочего слоя, заливку внутреннего слоя производят нелегированным чугуном в два этапа, на первом этапе заливают 6...70% объема чугуна внутреннего слоя и после выдержки 40...50 с доливают оставшийся чугун.

Этот способ применим при получении валков с суммарным содержанием легирующих элементов в рабочем слое 5...6%. Однако для получения высоколегированных валков данный способ непригоден.

Для получения двухслойных валков с высоколегированным рабочим слоем известен способ [2]. Этот способ предусматривает заливку металла рабочего слоя с расходом 1,1...1,3 объема рабочего слоя, первую порцию металла сердцевины заливают с расходом 0,3...0,6 объема рабочего слоя, а последующую выдержку осуществляют до затвердевания 0,5...0,8 общего металла переходной зоны.

Однако для получения высокохромистых валков с содержанием хрома не менее 12% данный способ непригоден. Это связано с тем, что при отсутствии регламентации температуры заливки металла первой порции сердцевины происходит не только смешивание нерасплавленного металла рабочего слоя и первой порции сердцевины, но и подплавление 25...30% затвердевшего металла рабочего слоя. В таком случае содержание легирующих элементов, в частности хрома, в сердцевине будет выше на 0,2...0,4% расчетного, что в сочетании с исходным легированием металла сердцевины хромом в пределах 0,1...0,15% даст суммарное легирование металла сердцевины в пределах 0,9...1,3% хрома. Подобное содержание хрома в металле сердцевины приведет к образованию эвтектических карбидов, особенно при применении чугуна, модифицированного магнием (ЧШГ) в качестве металла сердцевины, что связано с карбидостабилизирующим влиянием магния и особенностями кристаллизации ЧШГ.

Технической задачей заявляемого технического решения является разработка параметров, позволяющих стабильно получать высококачественные валки с рабочим слоем из высокохромистого чугуна центробежным способом при вращении формы вокруг вертикальной оси.

Поставленная техническая задача достигается тем, что заливку металла рабочего слоя производят с расходом 0,95±0,5 объема рабочего слоя валка, делают выдержку до достижения металлом на свободной поверхности рабочего слоя валка температуры, соответствующей Т_{солидус}+10...15°С для данного расплава, после чего последовательно производят заливку двух порций металла сердцевины, направляя металл непосредственно на свободную поверхность рабочего слоя в верхнюю треть бочки валка, с массовым расходом на каждую порцию

где m_1,2 - затрата металла первой и второй порции сердцевины, т;

m_p.c - затрата металла рабочего слоя, т,

причем температура заливки этих слоев составляет

где - температура заливки металла первой и второй порции сердцевины °С;

- температура ликвидус рабочего слоя,

а две выдержки для последовательного затвердевания промежуточной зоны осуществляются до достижения свободной поверхностью металла в форме температуры Т_{солидус}±10...15°С для рабочего слоя.

Заливка металла рабочего слоя в количестве 0,95±0,5 объема и выдержка практически до температуры солидус на свободной поверхности позволяет обеспечить затвердевания практически 75...80% металла рабочего слоя. При отливке валков с вращением литейной формы вокруг вертикальной оси свободная поверхность металла принимает форму параболоида вращения, а фронт кристаллизации движется параллельно образующей кокиля. Таким образом, наиболее холодный металл находится в верхней части кокиля. Подача металла сердцевины в верхнюю часть кокиля позволяет выровнять тепловое поле по длине отливки, а также обеспечить свариваемость сердцевины и металла рабочего слоя за счет незначительного подплавления его при заливке, регламентированной по температуре и массе первой порции металла сердцевины. Кроме того, при смешивании металла рабочего слоя и первой порции сердцевины содержание хрома остается достаточно высоким для получения спецкарбидов хрома и механических свойств, характерных для высокохромистых чугунов, что позволяет устранить дефицит металла рабочего слоя, т.е. за счет заливки первой порции сердцевины и последующей выдержки удлиняется время затвердевания рабочего слоя, что позволит уменьшить количество хрома, переходящего в сердцевину.

Заливка второй порции сердцевины и соответствующая выдержка позволяют сформировать минимальную переходную зону и обеспечить минимальный переход хрома в сердцевину.

Указанные значения параметров являются существенно важными для получения валков без повышенного содержания карбидов в сердцевине.

Уменьшение расхода заливаемого металла ниже 0,9 приведет к досрочному выходу валка из строя по причине выработки рабочего слоя. Увеличение расхода выше 1 увеличивается переход хрома в сердцевину.

При выдержке, обеспечивающей температуру свободной поверхности рабочего слоя ниже Т_{солидус}+10...15°, увеличивается вероятность несвариваемости металла рабочего слоя и сердцевины, при температуре свободной поверхности выше указанной возрастает количество незатвердевшего металла, что приведет к увеличению перехода хрома в сердцевину. Подача металла в любое другое место приведет к созданию неравномерности теплового поля по длине отливки и, как следствие, несвариваемости рабочего слоя с сердцевиной.

Если заливку первой и второй порции сердцевины вести с расходом ниже указанного, велика вероятность несвариваемости металла рабочего слоя с сердцевиной. При расходе вышеуказанного происходит подплавление рабочего слоя, что может привести к увеличению перехода хрома в сердцевину, а также к образованию радиальных трещин по верхнему краю бочки.

Если температуру заливки первой и второй порции производить выше указанной, происходит значительное подплавление металла рабочего слоя, что приведет к увеличению перехода хрома в сердцевину и к образованию радиальных трещин по верхнему краю бочки, а понижение температуры ниже указанной может привести к несвариваемости рабочего слоя и сердцевины.

Таким образом, заявляемый способ в совокупности признаков, изложенных в формуле, позволяет решить новую задачу - получить качественные двухслойные прокатные валки с рабочим слоем из высоколегированного, чугуна, в частности высокохромистого, и с сердцевиной, обеспечивающей высокие механические свойства как из серого чугуна, так и из чугуна с шаровидным графитом.

Пример осуществления

При центробежном литье двухслойного прокатного валка с рабочим слоем из высокохромистого чугуна с содержанием хрома 17,5% и общей массой 18,5 тонн при глубине рабочего слоя 0,06 м, диаметре бочки 0,93 м и длине бочки 2,19 м объем рабочего слоя составит 0,3598 м².

Заливку рабочего слоя ведут с расходом 0,95 объема рабочего слоя или

0,3589×0,95=0,341 м³.

Первая выдержка осуществляется до температуры солидус для данного сплава ±10...15°С (1315...1320°С). При этом затвердевает до 75% металла рабочего слоя. В результате подплавления в ходе заливки в жидкое состояние переходит до 15% металла рабочего слоя. Суммарный объем жидкой фазы рабочего слоя в форме составит 15%+25%=40% от залитого или 0,341·0,4=0,1364 м³.

Первая порция металла сердцевины заливается с расходом 0,2 от объема рабочего слоя

0,341×0,2=0,0682 м³.

В результате смешивания общий объем жидкой фазы в форме составит

0,1364+0,0682=0,2046 м³,

что при плотности чугуна 7540 кг/м³ составит 1,54 тонны.

В результате смешивания высокохромистого чугуна и чугуна сердцевины содержание хрома в объеме жидкой фазы составит

,

В ходе второй выдержки и за счет подплавления при заливке второй порции сердцевины остаточный объем жидкой фазы в форме составит

0,2046×0,4=0,0818 м³

С учетом залитой второй порции металла сердцевины в количестве 0,2 от объема металла рабочего слоя суммарный объем жидкой фазы в форме составит

0,0818+0,0682=0,15 м³.

Содержание хрома в полученном объеме жидкого чугуна

После третьей выдержки и в результате подплавления за счет доливки металла сердцевины остаточный объем жидкой фазы в форме составит

0,15×0,4=0,06 м³.

Общий объем залитого в форму металла составит

0,341+2(0,0682)=0,4774 м³ или 3600 кг.

Для заполнения формы необходимо долить металл в количестве

18,5-3,6=14,9 т или 1,976 м³.

В результате смешивания жидких фаз содержания хрома составит

В сумме с природным легированием металла сердцевины до содержания хрома 0,1...0,15% максимальное количество хрома в сердцевине валка составит

0,19+0,15=0,34%,

что не вызывает значительного увеличения содержания эвтектических карбидов даже в случае обработки металла сердцевины магнием для получения шаровидного графита.

Источники информации

1. Гольдштейн Л.Б. и др. Авторское свидетельство СССР №1585067, В 22 D 27/00, опубл. 15.08.90 г., Бюл. №30.

2. Будагьянц Н.А. и др. Патент Российской Федерации №2148471, В 22 D 13/02, опубл. 10.05.2000 г., Бюл. №13.

Центробежное литье валков осуществляют из высоколегированного чугуна. В литейную форму, вращающуюся вокруг вертикальной оси, заливают металл рабочего слоя в объеме 0,95±0,05 объема рабочего слоя валка. Осуществляют выдержку до достижения металлом на свободной поверхности температуры, соответствующей Т_{солидус}+10-15°С. Затем последовательно заливают две порции металла сердцевины. Металл при этом направляют непосредственно на свободную поверхность рабочего слоя в верхнюю треть бочки валка. Массовая затрата каждой порции составляет m_1,2=0,15-0,2 m_p.c, где m_1,2 - расход металла первой и второй порции сердцевины, т, m_p.c - расход металла рабочего слоя, т. Температура заливки этих слоев составляет Т_{З 1,2}=0,98-0,99 Т_Лр.с (m_p.с/m_1,2)^0,02, где Т_{З 1,2} - температура заливки металла первой и второй порции сердцевины, °С, Т_Лр.с - температура ликвидус рабочего слоя. Выдержку для последовательного затвердевания промежуточной зоны осуществляют до достижения свободной поверхностью металла в форме температуры Т_{солидус}+10-15°С для рабочего слоя. Обеспечивается получение высококачественных валков с рабочим слоем из высокохромистого чугуна.

Способ центробежного литья двухслойных прокатных валков с рабочим слоем из высоколегированного чугуна, включающий вращение литейной формы вокруг вертикальной оси, заливку металла рабочего слоя, выдержку для затвердевания рабочего слоя, заливку порции металла сердцевины, выдержку для затвердевания переходной зоны и заливку остатка металла сердцевины, отличающийся тем, что заливку металла рабочего слоя производят с расходом 0,95±0,05 объема рабочего слоя валка, делают выдержку до достижения металлом на свободной поверхности рабочего слоя валка температуры, соответствующей Т_{солидус}+10-15°С для данного расплава, после чего последовательно производят заливку двух порций металла сердцевины, направляя металл непосредственно на свободную поверхность рабочего слоя в верхнюю треть бочки валка, с массовым расходом на каждую порцию

m_1,2=0,15-0,2 m_p.c,

где m_1,2 - расход металла первой и второй порции сердцевины, т;

m_p.c - расход металла рабочего слоя, т,

причем температура заливки этих слоев составляет

Т_З1,2=0,98-0,99 Т_Лр.с(m_р.с/m_1,2)^0,02,

где Т_З1,2 - температура заливки металла первой и второй порции сердцевины, °C;

Т_Лр.с - температура ликвидус рабочего слоя,

а выдержку для последовательного затвердевания промежуточной зоны осуществляют до достижения свободной поверхностью металла в форме температуры Т_{солидус}+10-15°С для рабочего слоя.