СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ Российский патент 2009 года по МПК B22D27/18 

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть применен в литейном производстве.

Известен способ получения отливки, включающий изготовление формы из песчаной смеси по модели, когда на поверхность модели наносят сначала облицовочный слой, а затем засыпают наполнительную смесь, и все это уплотняют, извлекают модель из формы, форму окрашивают или присыпают противопригарными веществами, производят сборку формы и заливают в форму жидкий металл (Литейное производство. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987, с.84-86). Этот способ имеет недостатки. Он не позволяет получать отливки с теплостойкой поверхностью. На поверхности отливок не образуется слой разнородных композиционных материалов, который служил бы защитой металла от воздействия температур и агрессивных сред.

Из известных наиболее близким по технической сущности, является способ получения отливки, включающий выполнение поверхностного слоя формы из смеси зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, и материала, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, заливку в форму жидкого материала, расплавление заливаемым материалом менее тугоплавкого материала и связывание зерен тугоплавкого материала с образованием на поверхности отливки слоя из разнородных материалов, отличающийся тем, что на поверхность формы наносят слой толщиной 20 мм из смеси раздробленного высокоглиноземистого огнеупора, температура плавления которого 1800-1850°С, и бентонитовой глины с добавлением криолита, температура плавления которых ниже 1000°С, и в форму заливают жидкий чугун при температуре 1420°С (патент РФ 2283724, МПК В 22D2 7/18 «Способ получения отливки»; заявка № 2005112432/02; заяв. 25.04.05, опуб. 20.09.06; Бюл. № 26). При дальнейших испытаниях выявлено, что этот способ не позволяет получать отливки с толстым (более 20 мм) заданным слоем разнородных композиционных материалов, который служил бы защитой металла от воздействия высоких температур (более 1300°С) и агрессивных сред (кислот, щелочей).

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение и повышение эффективности создания на поверхности отливки требуемой толщины (более 20 мм) разнородных композиционных материалов, увеличение глубины проникновения жидкого материала в поверхностный слой формы и образование на поверхности отливки прочного толстого слоя разнородных материалов, защищающих металл отливки от воздействия высоких температур (более 1300°С) и агрессивных сред (кислот, щелочей).

На основании исследований предлагается способ получения отливки, включающий выполнение поверхностного слоя формы из смеси зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, и материала, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, отличающийся от известного тем, что в поверхностном слое формы с толщиной требуемого пригара на отливке создают каналы, суммарный объем которых равен 0,07-0,75 общего объема поверхностного слоя формы, а после создания каналов в форму заливают жидкий материал при его температуре 1,12-1,34 температуры плавления этого материала и образовывают после затвердевания в форме залитого материала на поверхности отливки слой пригоревшего неметаллического материала в виде композита разнородных материалов;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем наколов со стороны внутренней части формы, прокалывая поверхностный слой формы на глубину требуемого пригара на отливке;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в облицовочную смесь органических материалов, которые до заливки жидкого материала в форму выжигают;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в облицовочную смесь раздробленных пористых материалов;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в облицовочную смесь стружки легкоплавкого материала;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем прокладки в формовочном материале сетки из горючих нитей;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем прокладки в формовочном материале легкоплавкой проволоки;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в формовочную смесь термита, содержащего частицы железной окалины и алюминия;

способ получения отливки отличается и тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем выполнения глубоких борозд в формовочном материале после извлечения модели из формы.

Согласно предлагаемому изобретению осуществляют нанесение на поверхность модели или на поверхность постоянной формы, например металлической формы, слой зернистого материала высокой огнеупорности, например раздробленных высокоглиноземистых огнеупоров, кварцита, циркония, рутила, хромомагнезита, хромита, муллита, шамота, в смеси с материалом низкой огнеупорности, например легкоплавкими глинами, криолитом, солями, стеклами, легкоплавкими металлами и сплавами в виде порошков. В эти материалы добавляют крепители, которые должны быть легкоплавкими. Материалы поверхностного слоя формы могут быть крупнозернистыми и мелкозернистыми, неметаллическими и металлическими. Зернистость материалов может быть неодинаковой, если это требуется по условиям использования отливок. Толщина слоя, величина, форма зерен и состав могут быть одинаковыми и неодинаковыми в разных местах формы в зависимости от предъявляемых требований. Заливаемый в форму материал может быть металлом и неметаллом, чугуном, сталью, медными, алюминиевыми, титановыми сплавами, расплавленными керамическими материалами и шлаком, а также материалом, который применяется для производства каменного литья. При заливке в форму жидкий материал своим теплом выплавляет менее тугоплавкий материал между более тугоплавкими зернами поверхностного слоя, проникает в образующиеся зазоры между тугоплавкими зернами, затвердевает и прочно связывает эти зерна. На поверхности отливки образуется слой разнородных композиционных материалов. При этом основная часть отливки может иметь высокую механическую и строительную прочность, а поверхностный слой отливки будет защищать металл от воздействия высоких температур и агрессивных сред, будет износостойким.

Для получения пригара на поверхности отливки толщиной больше 20 мм в поверхностном слое формы в зависимости от требуемого пригара создают каналы, суммарный объем которых равен 0,07-0,75 общего объема поверхностного слоя формы. Каналы создают путем наколов со стороны внутренней части формы, прокалывая поверхностный слой формы на глубину требуемого пригара на отливке. В поверхностном слое формы создают каналы и путем ввода в облицовочную смесь органических материалов (мелко нарезанной бумаги, древесной стружки, изрезанных нитей, волоса, соломы, сухой травы, отходов текстиля), которые до заливки жидкого материала в форму выжигают. В поверхностном слое формы создают каналы и путем ввода в облицовочную смесь раздробленных пористых материалов (раздробленных отходов пористых легковесных, теплоизоляционных изделий, например шамота-легковеса, диатомита, керамзита, вулканического или металлургического пористого шлака, ячеистого бетона, пеностекла, газобетона, пенокерамики, пористой глины), которые разрушаются при нагреве и проникновении в них жидкотекучего горячего заливаемого материала. В поверхностном слое формы создают каналы и путем ввода в облицовочную смесь стружки легкоплавкого материала (пластмассы, алюминиевых, магниевых сплавов). В поверхностном слое формы создают каналы и путем прокладки в формовочном материале сетки из горючих нитей, например отходов рыболовных сетей. При нагреве и окислении нити разрушаются, образуется сеть каналов, заполняемых жидким материалом. В поверхностном слое формы создают каналы и путем прокладки в формовочном материале легкоплавкой проволоки, которая расплавляется при заливке жидкого материала в форму, а в образующиеся каналы проникает залитый жидкий расплав. Легкоплавкую проволоку можно выплавлять и до заливки жидкого материала в форму, нагревая поверхность формы пламенем газовой горелки. В поверхностном слое формы создают каналы и путем ввода в формовочную смесь термита, содержащего частицы железной окалины и алюминия. В этом случае при заливке жидкого материала в форму происходит химическая реакция с выделением большого количества теплоты, поверхностный слой формы разогревается, восстанавливается железо и образуется оксид алюминия, в каналы проникает жидкий расплав. Достигается получение толстого, прочного, износостойкого слоя пригара на поверхности отливки. Чтобы слой пригара прочно соединялся с поверхностью отливки, в поверхностном слое формы создают каналы путем выполнения борозд глубиной 1-7 мм в формовочном материале после извлечения модели из формы. Борозды рационально выполнять пересекающимися и неодинаковой глубины.

В поверхностном слое формы с толщиной требуемого пригара на отливке создают каналы, суммарный объем V₁ которых равен 0,07-0,75 общего объема V₂ поверхностного слоя формы. При V₁/V₂<0,07 эффект от выполнения каналов такой же, как если бы этих каналов и не было. При V₁/V₂>0,75 нарушается сплошность и прочность пригара.

С уменьшением V₁/V₂ в указанных рациональных пределах до V₁/V₂=0,07 достигаются высокие показатели прочности, износостойкости пригара. С увеличением V₁/V₂ до V₁/V₂=0,75 увеличиваются толщина пригара, повышаются его теплоизоляционные свойства, причем в большей степени, когда для выполнения каналов используются пористые материалы или термит.

После создания каналов в форму заливают жидкий материал при его температуре T₁, равный 1,12-1,34 температуры плавления этого материала Т₂.

При Т₁/Т₂<1,12 не достигается необходимая жидкотекучесть для заполнения каналов, заливаемых материалом. При Т₁/Т₂>1,34 могут образовываться трещины в перегретом слое пригара, отслоения пригара от отливки. С увеличением T₁/Т₂>1,12 и до достижения Т₁/T₂=1,34 увеличивается толщина пригара с 25 мм до 125 мм. Изменяя величины V₁/V₂ и T₁/Т₂ в указанных рациональных пределах, можно получать требуемую толщину пригара из тех материалов, которые позволяют достигать требуемые показатели теплопроводности, износостойкости, теплоизоляционных свойств, химической стойкости, воздействия высоких температур и давлений.

Содержание легкоплавких материалов (глины без добавки криолита или с его добавкой) в поверхностном слое формы может быть от 5 до 55% от массы поверхностного слоя формы. Зернистость тугоплавких компонентов в поверхностном слое формы рациональна от 0,5 до 5 мм.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Изготавливали отливки для дверей камерных термических печей. Поверхностные слои форм выносили из облицовочных смесей толщиной 25, 50, 75, 100, 125 мм. Облицовочные смеси содержали раздробленный высокоглиноземистый огнеупор с размерами зерен 0,5-5 мм и бентонитовую глину в количестве 5, 30, 55% от массы смеси с добавкой и без добавки криолита. На поверхности формы в формовочном материале создавали борозды глубиной 3-7 мм, а затем делали наколы, прокалывая облицовочный слой на расстоянии 7-15 мм так, чтобы получились глубокие каналы диаметром 1,5-5 мм. Для получения толстого слоя пригара (75, 100, 125 мм) в облицовочную смесь добавляли термит (5-20% от массы смеси), а для случаев, когда толщина пригара требовалась 25, 50, 75 мм, в облицовочную смесь добавляли алюминиевую стружку (3-15% от массы смеси) и крошку пористого материала (шамота-легковеса 3-15% от массы смеси). Суммарный объем каналов был равен V₁=(0,07-0,75)·V₂ общего объема поверхностного слоя формы. После создания каналов в форму заливали жидкий чугун при его температуре T₁=(1,12-1,34)·T₂ температуры плавления этого материала (1157·1,12=1296°С; 1157·1,34=1550°С) и образовывали после затвердевания в форме залитого чугуна на поверхности отливки слои пригоревшего неметаллического материала в виде композита разнородных материалов.

Процесс протекал следующим образом: жидкий чугун проникал в каналы поверхностного слоя, выплавлял легкоплавкую глину и криолит, которые проходили через жидкий металл, всплывали и удалялись из формы через выпоры. Затвердевший в каналах и между тугоплавкими зернами металл прочно связывал тугоплавкие частицы и образовывал «шубу», то есть шершавый огнеупорный поверхностный слой композиционных материалов. Были получены жаростойкие отливки простым, дешевым, эффективным способом, вместо ранее применявшихся дорогих и недолговечных отливок из легированных хромом чугунов, которые необходимо было со стороны печного пространства обкладывать огнеупорным кирпичом, что повышало трудоемкость такой защиты и требовало использования дорогого шамотного или высокоглиноземистого кирпича. Толщину пригара благодаря выполнению каналов получали заданной исходя из требований необходимых теплоизоляционных свойств композиционного материала и уменьшения потери теплоты из печного пространства.

Экспериментально установлено, что предлагаемый способ, в отличие от известного, позволяет получать на поверхности металлической отливки прочный слой пригоревших неметаллических материалов толщиной S больше 20 мм (от 25 до 125 мм) требуемого состава, причем толщину слоя S в указанных пределах можно получать требуемой, изменяя в указанных выше пределах V₁/V₂ и T₁/Т₂ и изменяя содержание легкоплавкой составляющей в облицовочном слое формы от 3 до 55%. В облицовочный слой рационально добавлять частицы с размерами 1-5 мм керамзита, пористой глины, пористого полистирола, пористого огнеупора-легковеса (3-25% от массы смеси). Тугоплавкой составляющей облицовочного слоя могут быть частицы от 0,5 до 5 мм раздробленного высокоглиноземистого или шамотного огнеупора, а также огнеупора, содержащего оксиды хрома.

Эксперименты показали, что с увеличением V₁/V₂ и T₁/Т₂ и с увеличением содержания легкоплавкой составляющей в облицовочном слое формы с 3 до 55% достигается увеличение S (до S=125 мм). С увеличением V₁/V₂ и уменьшением T₁/Т₂ в указанных пределах увеличивается количество пор в пригоревшем к металлу слое, повышаются в 2-3 раза теплоизоляционные свойства слоя. При уменьшении V₁/V₂ и T₁/Т₂ в указанных пределах уменьшается толщина слоя до S≥25 мм. При этом увеличиваются плотность и прочность (в 4-6 раз) слоя, что позволяет производить износостойкие композиционные плитки для полов цехов промышленных предприятий, для дорожных покрытий, для облицовки химических и теплообменных аппаратов. Предложенный способ может применяться для изготовления покрытий и узлов машин, работающих в агрессивных и высокотемпературных средах. Были изготовлены по предлагаемому способу композиционные плитки для полов очистного отделения литейного цеха. Наличие пригара на этих плитках позволило увеличить износостойкость и долговечность полов из таких плиток в 7-12 раз.

Были также получены предлагаемым способом отливки из алюминиевых сплавов с защитным поверхностным слоем из раздробленных шамотных изделий при выполнении каналов в облицовочном слое смеси. Отливки были предназначены для работы в условиях воздействия на поверхностный слой движущихся порошкообразных веществ с повышенной температурой. Долговечность этих отливок была высокой. Такие отливки в 4,5-6 раз дешевле, чем композиционные отливки с созданием защитного слоя известными способами. Предложенный способ рационален для выполнения канализационных литых труб и химических аппаратов с защитным неметаллическим слоем.

При использовании предлагаемого способа снижается трудоемкость в 5-7 раз, уменьшаются затраты в 7-9 раз на осуществление процесса, энергию и материалы по сравнению с известными способами.

Предлагаемый способ позволяет широко использовать металло-неметаллические композиционные конструкции в строительной индустрии. Например, можно производить стены зданий из прочных металлических отливок, поверхностный слой которых будет неметаллическим, теплоизоляционным, износостойким. Большие преимущества достигаются при применении предлагаемого способа для выполнения узлов и деталей химических аппаратов, водопроводов, канализационных устройств, теплообменников, для производства износостойких плит для тротуаров, теплостойких, химически стойких плит, применяемых в литейных и металлургических цехах, для дорожного покрытия, в жилищном и промышленном строительстве.

При добавлении в поверхностный слой формы кусочков разбитых, не применяемых в производстве, изношенных наждачных кругов и изделий и заливке в форму чугуна или расплава неметаллических материалов получаются износостойкие изделия. Добавление в поверхностный слой формы битых керамических изделий и естественных камней и проникновение в каналы слоя алюминиевого сплава позволяет получать литье с повышенными теплостойкостью, изоляционными свойствами, износостойкостью.

Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Сочетание новых признаков наряду с известными позволяет упростить получение отливок для химических аппаратов, печей, строительных конструкций, тепловых агрегатов, водопроводов, канализационных устройств.

Предложенный способ является простым по осуществлению, не трудоемким, энергосберегающим, безопасным, экологически чистым.

Во всех случаях применения предложенного способа достигается простота, дешевизна, универсальность, разнообразие, высокая производительность (на 30-50%), безопасность по сравнению с существующими способами.

Изобретение может быть использовано для получения композиционных конструкций в различных отраслях промышленности. Поверхностный слой литейной формы выполняют из смеси зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, например высокоглиноземистого огнеупора, и материала, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, например бентонитовой глины. В поверхностном слое имеющего толщину требуемого пригара на отливке создают каналы, суммарный объем которых равен 0,07-0,75 общего объема поверхностного слоя формы. В форму заливают жидкий материал при температуре, составляющей 1,12-1,34 от температуры плавления этого материала. Жидкий металл проникает в каналы поверхностного слоя и выплавляет легкоплавкую составляющую. После затвердевания материала на поверхности отливки образуется слой пригоревшего неметаллического материала в виде композита разнородных материалов. Основная часть отливки может иметь высокую механическую и строительную прочность, а поверхностный слой отливки может обладать стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам, высокой износостойкостью. Обеспечивается снижение трудоемкости процесса, уменьшение затрат на энергию и материалы, высокая производительность, увеличение износостойкости и долговечности изделий. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ получения отливки, включающий выполнение поверхностного слоя формы из смеси зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, и материала, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы, имеющем толщину требуемого пригара на отливке, создают каналы, суммарный объем которых равен 0,07-0,75 общего объема поверхностного слоя формы, а после создания каналов в форму заливают жидкий материал при температуре, составляющей 1,12-1,34 от температуры плавления этого материала, с образованием после затвердевания в форме залитого материала на поверхности отливки слоя пригоревшего материала в виде композита разнородных материалов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем наколов со стороны внутренней части формы на глубину требуемого пригара на отливке.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в облицовочную смесь органических материалов, которые до заливки жидкого материла в форму выжигают.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в облицовочную смесь раздробленных пористых материалов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в облицовочную смесь стружки легкоплавкого материала.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем прокладки в формовочном материале сетки из горючих нитей.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем прокладки в формовочном материале легкоплавкой проволоки.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем ввода в формовочную смесь термита, содержащего частицы железной окалины и алюминия.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном слое формы создают каналы путем выполнения глубоких борозд в формовочном материале после извлечения модели из формы.