СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОТЛИВКИ ЧУГУННЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК С ОСЕВОЙ ПОЛОСТЬЮ Российский патент 2009 года по МПК B22D13/02 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к центробежному способу литья биметаллических заготовок с осевой полостью, например мелющих валков, применяемых в пищевой промышленности - мукомольной (размол зерен пшеницы и ржи), пивоваренной (размол солода), кондитерской (размол кофе, какао бобов) и др.

Мелющий валок состоит из биметаллической чугунной бочки диаметром 0,23-0,35 м и длиной до 1,8 м с осевой полостью, в которую запрессовываются с двух ее торцов стальные цапфы.

Бочка валка состоит из наружного износостойкого чугуна (рабочий слой) толщиной до 0,03 м и внутреннего из серого или высокопрочного чугуна.

Основная проблема в производстве биметаллических чугунных заготовок состоит в создании прочного металлургического сваривания двух сплавов с различным химическим составом и однородной структурой рабочего слоя, обеспечивающих равномерное значение твердости и его минимальный спад по сечению.

Известен способ центробежного литья прокатных валков (SU 1297981, B22D 13/02 23.03.1987), при котором после заливки и затвердевания наружного (рабочего) слоя валка при номинальном значении гравитационного коэффициента, равного 50-150, заливку металла внутреннего слоя (сердцевины) осуществляют в две стадии, причем на первой стадии жидкий металл подают при вращении литейной формы со скоростями, соответствующими значениям гравитационного коэффициента, составляющим 0,03-0,14 от значения гравитационного коэффициента при формообразовании рабочего слоя валка, на второй стадии осуществляют заливку остального металла в неподвижную форму.

Недостатком этого способа является низкий уровень гравитационного коэффициента от 1,5-4,5 до 7,0-21,0, что не позволяет обеспечить прочность соединения двух металлов - рабочего слоя и сердцевины.

Другим недостатком является прерывистость процесса заливки внутреннего слоя металла, что сопряжено с окислением поверхностного слоя первой порции металла и понижением прочностных характеристик в этой зоне валка, что способствует появлению расслоения, т.е. браку отливок.

Наиболее близок к заявленному изобретению способ центробежного литья двухслойных валков (SU 908497A, B22D 13/00 26.05.1980), при котором заливка первого металла (наружный слой) производится порциями:

сначала заливают 40-50% его массы, а при достижении свободной поверхностью этого слоя температуры солидус заливают остальную часть первого слоя.

После заливки двумя порциями наружного слоя металла подают в изложницу флюс и после достижения на образовавшейся свободной поверхности температуры солидус начинают заливать внутренний слой из серого чугуна также порциями.

Недостатком этого способа является порционная заливка наружного слоя, связанная с прерывистостью струи заливаемого металла и усиленным ее окислением, так же как и поверхностного слоя первой порции металла, что ведет к понижению прочностных характеристик в этой зоне валка и расслоению, т.е. к браку отливок.

Второй недостаток предложенного способа состоит в заливке второй порции наружного слоя металла и внутреннего слоя чугуна на затвердевшую до температуры солидуса поверхность отливки, что приводит к ослаблению металлургического сваривания двух разнородных по химическому составу металлов и появлению расслоения в их граничной зоне.

Третий недостаток прототипа состоит в завышении температуры заливки внутреннего слоя до 1350-1360°С, что сопряжено с образованием высоких напряжений в бочке двухслойного валка и появлением трещин.

Предлагаемое изобретение направлено на создание прочного металлургического сваривания наружного и внутреннего слоев металла с разным химическим составом при изготовлении биметаллических заготовок с осевой полостью, повышение однородности структуры по сечению наружного слоя и соответственно равномерного распределения твердости, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью, включающем нанесение теплоизоляционного покрытия на форму, последовательную заливку наружного и внутреннего слоев металла во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, заливку металла внутреннего слоя осуществляют при температуре, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С, на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус, при этом форму вращают с частотой, соответствующей значениям гравитационного коэффициента 90-110 на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев.

Заливка внутреннего слоя металла с температурой, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, способствует прочному соединению двух разнородных по химическому составу металлов.

В этом случае заливаемый жидкий металл внутреннего слоя проникает в твердо-жидкую зону наружного металла при избыточном давлении центробежной силы, превышающей силу тяжести (гравитационный коэффициент) в 90-110 раз:

где ω - угловая скорость,

R - радиус внутренней поверхности отливки,

g - ускорение силы тяжести.

и образует прочную переходную зону между двумя металлами.

Применение флюса в данном случае становится излишним, так как встречный фронт кристаллизации сравнительно тонкого 0,03 м по отношению к сечению отливки рабочего слоя на его внутренней поверхности не успевает образоваться и поэтому прочность соединения двух металлов соответствует предъявляемым требованиям.

Понижение температуры заливаемого металла внутреннего слоя ниже 80°С над температурой его ликвидуса ведет к расслоению, т.е. несвариванию двух металлов, а повышение сверх 100°С связано с чрезмерным расплавлением наружного слоя и переходом легирующих элементов во внутренние слои и в том числе карбидообразующих, что способствует значительному повышению твердости и затруднениям при механообработке, а также появлению трещин в заготовке.

При заливке металла внутреннего слоя на свободную поверхность наружного слоя с температурой выше его ликвидуса происходит перемешивание и переход во внутренние слои карбидообразующих элементов, оказывающих отрицательное влияние на свойства отливки (повышение твердости внутреннего слоя), а при заливке ниже его температуры ликвидус приводит к несвариванию двух слоев и появлению расслоений в отливке.

При частоте вращения формы, которое соответствует гравитационному коэффициенту меньше 90, диффундирование жидкого металла в двухфазную зону рабочего слоя оказывается недостаточным и сваривание двух металлов с образованием переходной зоны не происходит, а при гравитационном коэффициенте больше 110 появляются трещины на внешней поверхности рабочего слоя.

В таблице приведена оценка качества биметаллических заготовок в зависимости от основных технологических характеристик.

ТаблицаКачество биметаллических заготовок в зависимости от основных технологических характеристик.№ п/пПовышение температуры внутреннего слоя над температурой ликвидус, °СТемпература внутренней поверхности рабочего слояГравитационный коэффициентОценка качества биметаллической заготовки 70ликвидус100расслоение1110ликвидус95повышение карбидообразующих во внутреннем слое появление трещин290выше ликвидус на 10°С100Повышение твердости внутреннего слоя 90ниже ликвидус на 10°С100расслоение390ликвидус80расслоение95ликвидус120трещины490ликвидус100прочное сваривание90ликвидус100прочное сваривание

Пример осуществления предлагаемого способа.

Способ опробован в производственных условиях ООО «Орловский литейный завод имени Медведева».

Химический состав наружного (рабочего) слоя следующий:

%: С=3,20; Si=0,51; Mn=0,53; Cr=0,62; Ni=0,83; S=0,02; P=0,02.

Масса заливаемого наружного слоя, находящегося в заливочном ковше, контролировалась крановыми весами в соответствии с необходимостью обеспечения толщины слоя 0,03 м.

Заливка металла производилась в центробежную машину во вращающуюся с горизонтальной осью форму.

Температура заливки наружного слоя составляла 1350°С. Температура жидкого металла замерялась с помощью вольфрам-молибденовой термопары.

Частота вращения изложницы определялась в соответствии с величиной гравитационного коэффициента, равного 100, на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев.

Заливка внутреннего слоя из серого чугуна осуществлялась при температуре 1340°С на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус 1250°С, т.е. с превышением температуры ликвидус на 90°С.

Температура ликвидус наружного слоя бочки валка определялась с помощью оптического пирометра IMPAC-IS-140, направленного на поверхность металла в изложнице через отверстие в передней крышке формы.

Через 25 мин после окончания затвердевания биметаллической заготовки форма с отливкой передается на стенд для охлаждения и после достижения температуры на ее поверхности 30-40°С отправляется на очистку и дальнейшую механообработку.

Мелющие валки, изготовленные по предлагаемому способу, имеют однородную дисперсную структуру, позволяющую обеспечить равномерное распределение твердости по сечению и длине бочки валка и минимальный спад твердости до 1-2 ед по Шору на расстоянии 0,03 м.

Наряду с этим прочность сваривания наружного и внутреннего слоев, которая определялась с помощью ультразвукового дефектоскопа УД 9812, а также визуально после травления контрольных образцов, отвечала всем требованиям, предъявляемым техническими условиями на мелющие валки.

Таким образом, предлагаемый способ центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью позволяет ликвидировать такой вид брака валков как расслоение между двумя разнородными материалами, обеспечивает однородную структуру рабочего слоя с равномерно распределенной твердостью и низким ее спадом по сечению, что позволяет повысить эксплуатационную стойкость валков в 1,4-1,6 раза по сравнению с традиционной технологией отливки в стационарную форму.

Изобретение может быть использовано для литья мелющих валков, диаметром бочки 0,23-0,35 м и длиной до 1,8 м с рабочим слоем толщиной до 0,03 м. Заливку металла осуществляют на машине с горизонтальной осью вращения. После заливки наружного слоя заготовки из износостойкого чугуна на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус, заливают серый или высокопрочный чугун внутреннего слоя. Заливку внутреннего слоя осуществляют при температуре, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С. Форму вращают с частотой, соответствующей значениям гравитационного коэффициента 90-110 на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев. Обеспечивается прочное сваривание двух разнородных по химическому составу чугунов, требуемая твердость и минимальный спад твердости по сечению рабочего слоя. 1 табл.

Способ центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью, включающий нанесение теплоизоляционного покрытия на форму, последовательную заливку наружного и внутреннего слоев металла во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, отличающийся тем, что заливку металла внутреннего слоя осуществляют при температуре, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С, на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус, при этом форму вращают с частотой, соответствующей значениям гравитационного коэффициента 90-110 на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев.