СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2005 года по МПК B22D13/00 B22C3/00 

Область техники

Предлагаемый "Способ получения защитно-разделительного покрытия" может быть использован для предохранения рабочей поверхности металлической изложницы-кокиля от разрушения и приваривания расплава металла при центробежном литье сталей и сплавов.

При заливке металла и его затвердевании литейная форма (кокиль) с металлом находится во вращении и испытывает действие центробежных сил. Металлический кокиль подвергается тепловым ударам, разрушается и быстро выходит из строя. Для защиты рабочей поверхности кокиля применяют слой теплоизоляционного материала, который замедляет теплопередачу от залитого металла, снижает температурные нежелательные напряжения в кокиле.

Уровень техники

Известны огнеупорные теплоизолирующие материалы в сочетании с различными связующими.

Так, покрытия на основе алюмофосфатной связки или на основе фосфорной кислоты проявляют коррелирующие действие по отношению к металлу (а.с. №258533, а.с. №376342, а.с. №399485 и т.п.).

Покрытия на основе жидкого стекла при температуре свыше 200°С пузырятся и становятся неровными, бугристыми (а.с. №397495, а.с. № 296729 и др.). При этом снижаются адгезионные свойства покрытия и, как следствие этого, наступает разрушение поверхности кокиля.

Известны также покрытия, имеющие смешанный состав связующего (жидкое стекло с алюмофосфатной связкой, жидкое стекло с углеводородами и т.д.): Япония, з. №56-18160; США, п. №4088585; а.с. №1694310. Они обладают теми же вышеперечисленными недостатками и не пригодны для использования в качестве защитно-разделительного покрытия рабочей поверхности кокиля от разрушения при центробежном литье стали.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому "Способу получения защитно-разделительного покрытия" является широко применяемый способ засыпки сухого кварцевого песка в кокиль (Технологическая инструкция ОАО «Первоуральский новотрубный завод» ТИ 159 МГ-49-96 «Отливка и изготовление технологического инструмента станов горячей прокатки труб»).

В этом случае во внутреннюю полость вращающегося кокиля непосредственно перед заливкой металла засыпают определенное количество кварцевого песка, распределение песка по поверхности кокиля происходит под действием центробежных сил. Получаемое в таком случае покрытие имеет существенные недостатки:

1. Поскольку песок не имеет никакой адгезионной связи с кокилем, то при наличии малейшего наклона или эксцентриситета кокиля создаются условия для неравномерного распределения песка по поверхности кокиля, что приводит к появлению открытых участков поверхности кокиля (не покрытых песком), которые непосредственно контактируют с расплавленным металлом. Кроме того, контакт кокиля с расплавленным металлом очень часто происходит из-за размытия песчаного покрытия струей расплавленного металла. Вследствие чего происходит быстрое разрушение поверхности кокиля либо непосредственное сваривание заготовки с кокилем.

2. При использовании сухого песчаного покрытия в подавляющем большинстве случаев получаемые заготовки требуют механической обточки по наружной поверхности для удаления остатков пригара. Образование пригара происходит вследствие проникновения расплавленного металла под действием центробежных сил в поры между песчинками разделительного покрытия. Операция механической обточки, кроме того, приводит к дополнительным потерям металла.

Сущность изобретения

Целью предлагаемого изобретения является получение для кокиля надежного покрытия, обладающего защитными и разделительными свойствами. Особенности центробежного литья обусловливают применение защитно-разделительного покрытия, к которому предъявляются следующие требования:

1. Слой покрытия должен быть ровным, сплошным, инертным к расплаву металла и обладать достаточными адгезионными свойствами, при которых он противостоит размыванию потоком заливаемого металла или смещению покрытия вследствие наклона или эксцентриситета кокиля.

2. Покрытие должно обладать надежными теплоизолирующими свойствами, т.е. малой теплопроводностью, с целью уменьшения нагрева кокиля и повышению его стойкости, а также удержания тепла в отливке и исключения возникновения трещин на ее поверхности.

3. Покрытие должно предохранять кокиль от приваривания металла и исключать образование пригара на отливке.

Согласно этим требованиям, с целью защиты рабочей поверхности кокиля от разрушения, а также для получения качественной отливки предлагается следующий "Способ получения защитно-разделительного покрытия".

Экспериментально были отработаны режимы предлагаемого "Способа получения защитно-разделительного покрытия" и оптимальный состав покрытия (см. Табл.I):

Таблица I
Состав покрытияИнгредиентМассовая доля %Кварцит5-6Отходы процесса алюминирования труб3-4Окись магния14-15Окись кальция3-4Окись железа3-4Карбид кремния4-6Графит пороховой2-3Диоксид циркония8-9Связующееост. до 100

С целью получения сплошного, ровного и прочного покрытия в качестве связующего используется водная дисперсия марки Д51С ГОСТ 18992-80, в сочетании с добавками, упрочняющими покрытие - окись кальция: окись железа = 1:1.

Использование отходов процесса алюминирования труб в сочетании с окислами кремния и циркония позволяет получить высокую прочность покрытия, не разрушающегося при заливке расплава металла. Эти отходы содержат, мас.%: ˜75-70% окиси алюминия, остальное приходится на алюминий, окись кремния и в незначительных количествах, ˜ по 0,001-0,23%, соединений железа, марганца, магния, титана, никеля, хрома и др.

С целью сохранения устойчивого разделительного покрытия оно имеет температуру плавления не менее чем на 30% выше температуры расплава металла (˜1600°С), заливаемого в кокиль. В составе покрытия более половины сухой части (30-40%) составляет смесь тугоплавких окислов (диоксид циркония, окись кальция, окись магния), температура плавления которых превышает 2500°С, и дополнительно введен карбид кремния, при атмосферном давлении не имеющий температуры плавления. Смесь указанных окислов и карбида кремния образует прочное покрытие, которое устойчиво к расплаву металла и препятствует привариванию металла, образованию пригара (застывший слой огнеупоров и расплавленного металла). Прочность и инертность покрытия к расплаву металла усиливается устойчивостью к действию расплава металла графита и диоксида циркония, входящих в состав покрытия. Таким образом, улучшается качество отливки и увеличивается срок службы кокиля.

Нанесение покрытия на предварительно прогретую поверхность кокиля (с температурой около 150°С) обеспечивает получение защитно-разделительного покрытия с высокими адгезионными и прочностными свойствами. При этом покрытие получается прочным, сплошным и ровным. При температуре кокиля ниже 150°С нанесенное покрытие имеет низкие адгезионные свойства. Это приводит к сползанию покрытия при заливке расплавленного металла и разрушению рабочей поверхности кокиля.

При нанесении покрытия на горячую поверхность кокиля t=150°C, выравниванию слоя покрытия способствует графит пороховой марки "П".

Защитно-разделительное покрытие, полученное с использованием предлагаемого "Способа получения защитно-разделительного покрытия", обладает достаточно низкой теплопроводностью, что защищает от перегрева кокиль, повышая его стойкость, и удерживает тепло в отливке, уменьшая скорость ее охлаждения и вероятность образования трещин на поверхности отливки.

Малая теплопроводность покрытия обеспечивается за счет наличия в составе веществ, имеющих низкий коэффициент теплопроводности, ˜ 0,2-1,0 Вт/(м К), при высоких температурах t>1000°С: диоксид циркония; смесь окислов алюминия, кремния, железа, кальция, магния.

Теплозащитные свойства покрытия усиливаются при t>1000°С также за счет образования газовой подушки с коэффициентом теплопроводности ˜0,03 Вт/(м К). Этому способствует использование графита с содержанием летучих в количестве 0,7-7% и окиси магния, обладающей высокой летучестью при высоких температурах. Кроме того, при высоких температурах углерод восстанавливает окись магния по реакции MgO+С=Mg+СО. Упругость этих паров при этом достигает 133 Па при t=1270°С. Кроме того, газовая подушка, также препятствует возникновению пригара на отливке, облегчает извлечение отливки из кокиля, способствует очищению рабочей поверхности кокиля от остатков использованного покрытия.

Таким образом, использование предлагаемого "Способа получения защитно-разделительного покрытия" обеспечивает получение защитно-разделительного покрытия, которое благодаря проявленной многофункциональности позволяет предохранить поверхность кокиля от разрушения при тепловых ударах и получить высокое качество поверхности отливки.

При приготовлении покрытия все сухие компоненты должны быть предварительно измельчены до получения пылевидной фракции. Смесь сухих компонентов готовится из расчета 3-4 кг на 1 м² покрываемой площади. Непосредственно (за 10-15 минут) перед нанесением покрытия на рабочую поверхность кокиля к смеси сухих песчаных компонентов производится добавление связующего. Полученная смесь тщательно перемешивается до получения однородной массы.

Покрытие наносится на кокиль предварительно прогретый до температуры около 150°С. Нагрев может быть осуществлен как газовыми горелками, так и за счет остаточного тепла кокиля от предыдущей отливки. Нанесение производится с помощью кисти, ершика, методом окрашивания, при этом покрытие наносится мазками направленными перпендикулярно оси кокиля с помощью вращательных движений кисти. Толщина покрытия должна быть относительно постоянной и составлять около 1 мм, что можно получить, используя ершик диаметром на 10-15 мм больше внутреннего диаметра кокиля.

Сведения, подтверждающие возможность получения защитно-разделительного покрытия с использованием предлагаемого «Способа получения защитно-разделительного покрытия».

Ниже, в таблице II, приведены результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний, подтверждающих защитные и разделительные свойства покрытия, полученного с использованием предлагаемого «Способа получения защитно-разделительного покрытия», в сравнении с известным способом использование сухого кварцевого песка.

Таблица II№ п/пНаименование показателейХарактеристика показателейИзвестный способПредлагаемый способ1.2.3.4.1.Хим. состав защитно-разделительного покрытия, мас.%Кварцевый песок SiO₂ - 100%SiO₂ - 5-6, остальное: отходы алюминирования труб, MgO, CaO, Fe₂O₃, SiC, ZrOi, графит, связующее.2.Температура плавления защитно-разделительного покрытия1600°С>2200°С3.Нанесение покрытияЗасыпается при t=20°СНаносится на поверхность кокиля, прогретого до 150°С4.Качество покрытия, защитно-разделительного слояСыпучий слой, отсутствие адгезионных свойствСлой ровный, плотно сцепленный с поверхностью кокиля, высокие адгезионные свойства.5.Разделительные свойства покрытия:   а) ПригарПригар из смеси расплавленного металла и песка, удаление пригара, потери металла.Отсутствие пригара и потерь металла. б) Качество поверхности отливкиДефекты на поверхности отливки (спаи, трещины, остатки пригара).Поверхность отливки чистая, без трещин и пригара в) Дополнительные средства, улучшающие разделительные свойстваОтсутствует1. Температура плавления покрытия значительно выше температуры расплавленного металла; 2. Нанесение покрытия на прогретую до 150°С поверхность кокиля; 3. Образование газовой подушки при нагревании покрытия.6.Защитные свойства покрытияВследствие периодических привариваний металла к поверхности кокиля, качество поверхности кокиля быстро приходит в неудовлетворительное состояниеИсключение привариваний металла к поверхности кокиля - стабильное качество поверхности кокиля на протяжении периода эксплуатации и хорошее качество отливки7.Внешний вид отливоксм. в конце описания 

Как видно из таблицы сравнительных данных, защитно-разделительное покрытие, полученное с использованием предлагаемого «Способа получения защитно-разделительного покрытия», имеет оптимальный химический состав и температуру плавленйя (˜2200°C), превышающую температуру плавления заливаемого металла (˜1600°C), наносится на предварительно прогретый кокиль. Это способствует получению ровного, плотно сцепленного с поверхностью кокиля защитно-разделительного покрытия, устойчивого к потоку расплавленного металла. Как следствие этого, сохраняется поверхность кокиля от разрушения, а поверхность отливки получается чистой.

Проявленные положительные результаты при использовании защитно-разделительного покрытия, полученного при использовании предлагаемого "Способа получения защитно-разделительного покрытия", свидетельствуют также о надежных теплоизолирующих свойствах покрытия.

Изобретение может быть использовано для защиты рабочей поверхности кокиля при центробежном литье сталей и сплавов. Смесь сухих компонентов и связующего наносят на рабочую поверхность кокиля, предварительно нагретого до 150°С. Используют смесь следующего состава, мас.%: кварцит 5-6, отходы производства алюминирования труб 3-4, окись магния 14-15, окись кальция 3-4, окись железа 3-4, карбид кремния 4-6, графит 2-3, диоксид циркония 8-9, связующее - остальное. В качестве связующего используют водную дисперсию поливинилацетата марки Д51С ГОСТ 18992-80. Это связующее обеспечивает получение сплошного, ровного и прочного покрытия. Защитно-разделительное покрытие обладает высокими теплоизолирующими свойствами, имеет температуру плавления выше температуры расплавленного металла не менее чем на 30%, устраняет приваривание металла к поверхности кокиля и образование пригара на отливке. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения защитно-разделительного покрытия кокиля при центробежном литье стали, включающий смешивание сухих компонентов со связующим и нанесение смеси на рабочую поверхность кокиля, отличающийся тем, что используют смесь следующего состава, мас.%:

Кварцит5-6Отходы производства алюминирования труб3-4Окись магния14-15Окись кальция3-4Окись железа3-4Карбид кремния4-6Графит пороховой2-3Диоксид циркония8-9СвязующееОстальное