СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНО-ЛИТЫХ ТИГЛЕЙ ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 2006 года по МПК B22D13/00 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способу получения с помощью центробежного литья полых изделий, симметричных относительно своей оси, и может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, связанных с производством литых тиглей типа стакан, для плавки алюминиевых и цинковых сплавов.

При производстве отливок из алюминиевых и цинковых сплавов наибольшее распространение получили металлические тигли, изготовляемые из чугуна и стали (Г.И.Эскин и др. Точное литье деталей авиационных агрегатов из алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1967 г. стр.37-38).

Применение тиглей из чугуна и стали при плавке алюминиевых и цинковых сплавов приводит к загрязнению расплава. Кроме того, металлические тигли не могут применяться для выплавки высокопрочных и коррозионно-стойких сплавов алюминия, т.к. не допускают высокого перегрева и требуют дополнительной защиты в виде керамических покрытий, которые в свою очередь являются источником загрязнения металла неметаллическими включениями из-за разъедания расплавом рабочей поверхности.

Наиболее близким к разрабатываемому способу и выбранным нами за прототип является способ центробежного литья (защищенный а. с. СССР №923735, МПК B 22 D 13/00, опубл. 30.04.1982 г., бюл. №16), включающий вращение футеровочной формы и дозированную заливку в нее металла, отличающийся тем, что первую порцию металла заливают в количестве 15-40% от общего веса дозы металла в течение 4-6 сек и после покрытия всей поверхности формы слоем металла 1-3 мм заливают последующую порцию металла в количестве 45-70% в течение 5-7 сек, а остаток металла заливают с постоянной скоростью в течение 2-3 сек.

Однако, как показали исследования, тигли, полученные известным способом, обеспечивают получение металла с повышенным количеством дефектов газового и усадочного характера вследствие размыва жидким металлом футеровки тигля, а также имеют пониженную стойкость в процессе эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является снижение дефектов газового и усадочного характера в металле, выплавленном в тигле, и повышение стойкости тигля в процессе эксплуатации.

Технический результат достигается за счет того, что в способе, включающем вращение литейной формы и дозированную порционную заливку в нее металла, согласно изобретению, расплавление металла и получение тигля производят в вакууме с остаточным давлением 10^-2-10^-4 мм рт. столба, при этом заливку первой порции металла в количестве 15-25% от общей массы отливки ведут в неподвижную литейную форму со скоростью подачи металла 10-16 кг/с, выдерживают в течение 6-12 с для формирования донной части тигля, затем доводят обороты литейной формы с помощью центробежной машины до 250-500 об/мин, а заливку остальной порции металла ведут со скоростью 15-22 кг/с для формирования боковой поверхности тигля.

Расплавление металла и получение тигля производят в вакууме с остаточным давлением 10^-2-10^-4 мм рт. столба для предотвращения окисления.

Вакуум с остаточным давлением менее 10^-2 мм рт. столба недостаточен для предотвращения окисления металла и тигля.

Вакуум с остаточным давлением более 10^-4 мм рт. столба нецелесообразен по причине неоправданного увеличения энергозатрат.

Заливку металла в литейную форму в количестве 15-25% от общей массы отливки необходимо для получения требуемой толщины дна тигля.

Заливка металла в количестве менее 15% от общей массы отливки недостаточна, так как дно тигля получается тонкое, со следами неровностей как на рабочей, так и на внешней его поверхностях и последующая приварка боковой поверхности ко дну тигля затруднена и не исключено появление расслоений и несплошностей в месте их соединения.

Заливка металла в количестве более 25% от общей массы отливки приводит к приварке металла дна тигля ко дну литейной формы по причине большой массы металла и высокой его температуры порядка 1800-1860°С. Кроме того, при последующем вращении часть жидкого металла дна тигля может переместиться на боковую поверхность, что приведет к утонению дна тигля и появлению дефектов типа просечек и утяжин.

При скорости заливки менее 10 кг/с металл на боковой части литейной формы образует "настыль" со следами "неспаев" и несплошностей на поверхности тигля.

При скорости заливки металла более 16 кг/с происходит локальный разогрев дна тигля в месте падения струи металла с частичным его подплавлением и с последующей приваркой к нему металла дна литейной формы.

При выдержке жидкого металла менее 6 секунд весь металл не успевает затвердеть и последующее вращение приводит к смещению жидкоподвижной его части на боковую поверхность, что способствует утонению дна тигля и образованию неровностей на его рабочей поверхности.

При выдержке жидкого металла более 12 секунд резко ухудшаются условия приварки второй порции металла с донной частью, образуя сплошную линию неслитин и неспаев.

При оборотах кокиля менее 250 об/мин, образуется повышенная толщина боковой стенки в нижней части тигля. Кроме того, при малых диаметрах тигля подъем металла в стенках тигля затруднен и он поднимается не на всю высоту тигля.

При оборотах литейной формы более 500 об/мин возникают неблагоприятные теплофизические условия формирования тигля, что может привести к приварке боковой части тигля к литейной форме.

Скорость заливки остаточного металла в форму выбрана в пределах 15-22 кг в секунду из условия надежной приварки боковой части тигля к донной его части и получения качественной рабочей поверхности.

При заливке металла со скоростью менее 15 кг в секунду происходит разбрызгивание металла по всей поверхности дна тигля, особенно интенсивно при получении тиглей большого размера. Одновременно происходит захолаживание металла по причине малого запаса общего тепла, что приводит к некачественной приварки боковой поверхности к донной части тигля и образованию неслитин и сквозных неспаев, по которым происходит разрушение тигля в процессе эксплуатации за счет многократного нагрева и охлаждения.

Заливка металла в форму со скоростью более 22 кг в секунду приводит к локальному разогреву дна тигля в месте подвода металла и при центробежном вращении литейной формы вызывает утонение донной части тигля или приварку ее ко дну литейной формы в месте разогрева.

Пример конкретного выполнения:

Опытное опробования способа центробежного литья тигля из титанового сплава было осуществлено на вакуумно-дуговой гарнисажной печи "Нева-2" при изготовлении тигля емкостью 200 кг по алюминию в металлический кокиль.

На центробежную машину устанавливалась литейная форма с крышкой, которая надежно крепилась к столу. Затем производилась балансировка стола с литейной формой с помощью балансировочного приспособления, и потом стол с литейной формой вместе с заливочной камерой закатывались в плавильную вакуумную печь, где создавался вакуум с остаточным давлением 10^-2 и 10^-4 мм рт. столба. В печь вводили расходуемый электрод из отходов титановых сплавов и осуществляли электродуговой переплав его в вакууме. После наплавления 140 кг жидкого металла заливали его в литейную форму в стационарном режиме. В первом случае металл заливали в количестве 21 кг, что составляло 15% от общего количества наплавленного металла, со скоростью подачи последнего 10 кг/с и затем выдерживали его в течение 6 секунд. Во втором случае металл заливали в количестве 35 кг, что составляло 25% от общего количества наплавленного металла, со скоростью подачи последнего 16 кг/с и выдерживали в течение 12 секунд. Затем включали центробежную машину и доводили число оборотов ее: в первом случае до 500 об/ мин и во втором - до 250 об/мин. После этого заливали в литейную форму оставшийся металл: в первом случае со скоростью 22 кг/с и во втором - со скоростью 15 кг/с и вращали кокиль до полного затвердевания металла.

Затем часть изготовленных тиглей была разрезана на части, и металл этих частей был подвергнут исследованиям на наличие в нем дефектов газового и усадочного характера, а часть изготовленных тиглей была испытана в производственных условиях на предмет определения их стойкости. Данные испытаний приведены в таблице.

Таблица
Свойства тиглей, полученных предлагаемым и известным способамиСпособПараметры способаСвойства тиглей Заливка первой порции металла в литейную формуСкорость вращения литейной формы, об/минСкорость заливки второй порции металла в форму, кг/сСкорость заливки третьей порции металла в форму, кг/сВакуум, мм рт. столбаСтойкость тигля при непрерывной работе, количество сменКоличество усадочных и газовых раковин в металле тигля, штОбъем металла, %Скорость заливки, кг/сВремя выдержки металла в литейной форме, сПредлагаемый1510650022-10^-2132нет 25161225015-10^-4130нетИзвестный356-40050% объема металла за 10 секунд15% объема металла за 3 секунды-2712Примечания:
1. В таблице приведены усредненные значения испытаний трех образцов на точку.
2. Определение дефектов усадочного и газового характера производили с помощью рентгеновского контроля.
Проведенные испытания показали, что тигли, полученные по предлагаемому способу, превосходят тигли, полученные известным способом, по продолжительности их непрерывной работы в производственных условиях, а металл тиглей получается более плотным, без видимых усадочных и газовых дефектов.
Технический эффект от использования предлагаемого способа получения литых тиглей выразится в снижении трудо- и энергозатрат на единицу производимой продукции за счет увеличения продолжительности работы в производственных условиях тиглей, полученных по предлагаемому способу.

Изобретение может быть использовано для получения литых тиглей типа стакан для плавки алюминиевых и цинковых сплавов в различных отраслях промышленности. Заливку литейной формы осуществляют в вакууме с остаточным давлением 10^-2 и 10^-4 мм рт. ст. Сначала заливают порцию металла в количестве 15-25% от общей массы отливки. Заливку ведут в неподвижную литейную форму со скоростью подачи металла 10-16 кг/с. Выдерживают металл в течение 6-12 с для формирования донной части отливки. Включают центробежную машину и доводят число ее оборотов до 250-500 об/мин. Осуществляют заливку остальной части металла со скоростью 15-22 кг/с для формирования боковой поверхности тигля. Обеспечивается снижение дефектов газового и усадочного происхождения в металле, выплавленном в тигле, и повышение стойкости самого тигля. 1 табл.

Способ получения центробежно-литых тиглей из титана и его сплавов, включающий вращение литейной формы и дозированную порционную заливку в нее металла, отличающийся тем, что расплавление металла и получение тигля производят в вакууме с остаточным давлением 10^-2 и 10^-4 мм рт. ст., при этом заливку первой порции металла в количестве 15-25% от общей массы отливки ведут в неподвижную литейную форму со скоростью подачи металла 10-16 кг/с, выдерживают в течение 6-12 с для формирования донной части, затем доводят обороты литейной формы с помощью центробежной машины до 250-500 об/мин и после этого заливку остальной порции металла в литейную форму ведут со скоростью 15-22 кг/с для формирования боковой поверхности тигля.