СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК Российский патент 2016 года по МПК B22D27/04 

Настоящее изобретение относится к способу изготовления точных отливок, предпочтительно в керамических формах, из сплавов на основе алюминия, магния, меди, цинка и железа.

После заполнения полости керамической формы жидким сплавом необходимо осуществить быстрое, объемное или направленное охлаждение этого сплава для получения компактной отливки без пористой структуры, характеризующейся относительно однородной и мелкозернистой структурой и, следовательно, хорошими механическими свойствами.

Керамические формы, применяемые при литье по выплавляемым моделям, характеризуются низкой удельной теплопроводностью, и, следовательно, время затвердевания жидкого металла относительно велико. В результате медленного затвердевания образуется крупнозернистая структура, которая является причиной ухудшения механических свойств отливки.

Для получения требуемой компактной структуры отливок следует обеспечить направленное затвердевание металла. Например, способ изготовления точных отливок согласно описанию патента DE-OS 3629079 состоит в том, что в нем используют керамические формы с "карманами", сделанными в выбранных частях формы. Перед заливкой жидкого металла в формы указанные карманы заполняют стальной дробью. Благодаря теплоемкости стальной дроби, значительно более высокой, чем теплоемкость алюминиевого сплава, происходит интенсивный теплоперенос от жидкого металла, что позволяет изготавливать отливки с зонами направленного затвердевания. В описании патента ЕР 571703 в качестве охлаждающей среды для керамической формы, заполненной жидким сплавом, используют текучий охлаждающий агент, предпочтительно в жидком состоянии, при варьирующих уровнях перегрева, у которого температура кипения ниже, чем температура залитого металла. Жидкий охлаждающий агент должен иметь подходящую вязкость, и указанный агент представляет собой смесь веществ, характеризующихся различными температурами кипения. В качестве примера приведена композиция, содержащая воск, гликоль, сложный эфир и/или масло. Вследствие воспламеняемости компонентов охлаждающего агента процесс осуществляют в закрытом контейнере в атмосфере инертного газа. Согласно описанию патента US 6622774 керамические формы, заполненные алюминиевым сплавом, охлаждают в масляной ванне с высокой температурой вспышки и низкой вязкостью. С другой стороны, в описании патента US 2008/0011442 керамическую литейную форму, заполненную жидким металлом, выдерживают при давлении по меньшей мере 20 МПа в течение примерно 300 секунд и затем вводят в жидкий охлаждающий агент при температуре -100°С или ниже. Целесообразно подвергать затвердевающий металл воздействию ультразвука или другой альтернативной обработке.

Способ изготовления точных отливок согласно настоящему изобретению, предпочтительно в керамических формах, из сплавов на основе Al, Mg, Cu, Zn и Fe характеризуется тем, что керамическую форму обжигают при температуре от 800 до 1000°С в течение от 2 до 4 часов, далее охлаждают до температуры от 20 до 950°С, выдерживают при такой температуре в течение от 10 до 40 минут и по прошествии этого времени в указанную форму заливают жидкий сплав, перегретый на от 50 до 200°С относительно исходной температуры плавления, а по прошествии от 10 до 100 секунд форму погружают при постоянной или переменной скорости в жидкую охлаждающую среду, представляющую собой 1-99% об. водный раствор жидкого полимера при температуре от 15 до 85°С.

Жидкий полимер предпочтительно представляет собой полимер вида полиалкиленгликоля (PAG), или поливинилпирролидона (PVP), или акрилата (ACR), или полиэтиленоксида (РЕО). Предпочтительно используют керамические формы, выполненные из алюминосиликата или высокоглиноземистых огнеупоров, главным образом, на основе синтетической формовочной смеси, например Молохита.

Жидкие полимеры представляют собой растворы, суспензии или сплавы полимеров, которые принадлежат к конкретной группе жидкостей, характеризующейся измеримой устойчивостью формы, проявляют некоторые характеристики твердого тела и характеризуются измеримой эластичностью. Они представляют собой полимолекулярные соединения углерода и водорода, также содержащие кислород, азот, фосфор и серу, а также модификаторы, ингибиторы и другие добавки. Жидкие полимеры проявляют свойства неньютоновских жидкостей при высоких скоростях сдвига, что означает, что их кривые текучести не являются прямыми линиями.

Применяемая охлаждающая среда имеет удельную теплоемкость почти в 2 раза выше, чем закалочные масла, благодаря чему увеличение температуры среды для заданной массы партии будет снижено примерно наполовину.

Водный раствор жидких полимеров, проникающий через стенки керамической формы, образует при контакте с расплавленным металлом тонкое разделительное полимерное покрытие, что позволяет изготовлять отливки с отличным качеством поверхности. При применении способа согласно настоящему изобретению наружные поверхности отливок не загрязнены маслом или воском, и, следовательно, они не требуют обезжиривания или применения других способов очистки. Остатки охлаждающей среды, которые могут оставаться на отливках при наличии высоких концентраций указанной среды в охлаждающей ванне, не подвергаются карбонизированию, но полностью разлагаются при высоких температурах с образованием водяного пара и оксидов углерода. Скорость охлаждения зависит от типа полимера, его концентрации и температуры водного раствора. Применяемая охлаждающая среда является невоспламеняющейся и экологически безопасной. Благодаря указанным характеристикам для реализации способа согласно настоящему изобретению не требуется герметизированное пространство, но достаточно отсасывающей установки, поскольку большие количества дыма могут появиться только в случае преждевременного удаления форм из охлаждающей среды.

Отливка, погруженная в полимерный охлаждающий агент, кристаллизуется и затвердевает снизу вверх, и вертикальный литниковый канал кристаллизуется в виде последней части отливки, выполняя одновременно роль системы подачи. Быстрая объемная кристаллизация и охлаждение из жидкого состояния происходит при немедленном погружении всей керамической формы, заполненной жидким сплавом, в охлаждающую среду, причем указанный метод применяют к отливкам с практически одинаковой толщиной стенок и плавным переходом от одной секции к другой. Быстрая направленная кристаллизация происходит при погружении керамической формы, заполненной жидким сплавом, в жидкую охлаждающую среду при постоянной или переменной скорости.

Керамические формы, выполненные из алюминосиликата или высокоглиноземистых огнеупоров, характеризуются устойчивыми свойствами при изменении температуры. Более высокая температура керамической формы способствует жидкотекучести сплава и, таким образом, позволяет получить отливки с тонкими или ультратонкими стенками.

Отливки, полученные способом согласно настоящему изобретению, имеют очень хорошее качество наружной поверхности, отличающейся низкой степенью шероховатости, глянцевым внешним видом и отсутствием дефектов типа газомикропроницаемости. Направленное затвердевание обеспечивает хорошую внутреннюю компактность, измеренную по плотности. Кроме того, отливки характеризуются высокой однородностью макро- и микроструктуры в поперечных сечениях стенок, толщины которых отличаются не больше чем в 2-3 раза. Их структуры улучшены по сравнению с подобными отливками, затвердевающими согласно традиционным способам реализации процесса литья по выплавляемым моделям, в частности, средние значения расстояния между вторичными осями дендритов понижены, и в эвтектических сплавах образуется мелкозернистая эвтектика. Все указанные факторы влияют на увеличение параметров прочности R_m и R_pO,2 и пластичности А₅ в испытании на растяжение, хотя величина указанных параметров зависит от типа сплава и условий охлаждения.

Ниже приведены примеры практических вариантов реализации способа изготовления точных отливок согласно настоящему изобретению.

Пример 1

Керамическую форму для опытной конической отливки размером ©20×030×100 мм изготавливали из кварцевой муки и кварцевого песка с содержание SiO₂ выше 90% масс., используя связующее вещество типа LUDOX^® РХ30 в форме водного раствора коллоидного кремнезема, содержащего от 20 до 40% масс.SiO₂. Форму обжигали при температуре от 800 до 850°С в течение 2 часов. Далее указанную форму медленно охлаждали до температуры 750°С, выдерживали при такой температуре в течение 15 минут, а затем заполняли алюминиевым сплавом, представляющим собой доэвтектический силумин EN AC-AISi7Mg0,6, при температуре от 700 до 720°С. Через 10 секунд керамическую форму, заполненную жидким сплавом, погружали при скорости 7,5 мм/с в 20% об. водный раствор жидкого полимерного закалочного средства, такого как Aqua-Quench 260, при температуре 20°С.

Вследствие применения водного раствора жидкого полимера его реакция с керамической формой и жидким сплавом была очень слабой, и образовавшаяся отливка была компактной и не содержала никакой внутренней газовой пористости, при этом ее наружная поверхность была блестящей и глянцевой и содержала только следы шероховатости.

Пример 2

Для конусовидной отливки, описанной в примере 1, использовали керамическую форму, при этом указанную форму изготавливали из алюминосиликатного материала в форме синтетического наполнителя под торговым названием Молохит и связующего вещества LUDOX^® РХ30, причем указанную форму обжигали при 900°С в течение 2 часов, а затем охлаждали до комнатной температуры. После предварительного нагревания указанной форм до температуры 300°С, ее выдерживали при такой температуре в течение 15 минут и заполняли жидким литейным магниевым сплавом MgAI9Zn1 при температуре от 690 до 710°С. Далее через 10 секунд форму, заполненную расплавленным металлом, погружали при постоянной скорости 7,5 мм/с в 20% об. водный раствор жидкого полимера POLIHARTENOL-E8 при температуре 20°С.

После кристаллизации и охлаждения сплава в охлаждающей среде, оболочка формы не проявляла никаких признаков прилипания к наружной поверхности отливки. Отливка была компактной, не содержала внешней и внутренней пористости, при этом ее плотность приближалась к теоретической плотности, типичной для сплава данной химической композиции. При ударе металлическим инструментом отливка издавала чистый металлический звук, типичный для кокильных отливок. Наружная поверхность образца отличалась низкой шероховатостью и была слегка глянцевой.

Пример 3

Керамическую форму конической формы на основе Молохита в качестве наполнителя, содержащую связующее вещество LUDOX^® РХ30, обжигали при температуре 950°С в течение 3 часов и затем охлаждали до температуры 700°С, выдерживали при такой температуре в течение 20 минут и заполняли при температуре 1450°С жидким хромомолибденовым литейным железом, содержащим в % масс.: 3,35 С, 0,53 Si, 92 Mn, 9,5 Cr, 0,14 Ni, 1,53 Mo, остаток Fe. Далее через 15 секунд форму с жидким литейным железом погружали при скорости 5 мм/с в водный раствор жидкого полимера THERMISOL QZS 700 при концентрации 19,14% об. и при температуре 50°С.

Направленное охлаждение позволило улучшить компактность: средняя плотность отливки р=7,51 г/см, при этом средний показатель твердости по Викерсу составлял 664. Для сравнения, свойства отливки, изготовленной в песчаной форме, следующие: р=7,45 г/см³ и средний показатель твердости по Викерсу составляет 547. Ускоренные кристаллизация и охлаждение способствуют сфероидизации первичных и эвтектических карбидов в ферритной матрице.

Пример 4

Керамическую форму, выполненную из алюминосиликатного наполнителя, называемого Молохитом, и связующего вещества LUDOX^® РХ30 на основе коллоидного кремнезема обжигали в течение 3 часов при 900°С. Далее форму охлаждали до комнатной температуры и затем нагревали до 400°С. Форму выдерживали при такой температуре в течение 30 минут и заполняли жидким сплавом AC-AISi7Mg0.3 при температуре от 710 до 740°С. Через 15 секунд форму, в которую был залит жидкий сплав, погружали при средней скорости примерно 5 мм/с в бак, заполненный полимерным охлаждающим агентом, представляющим собой 20% водный раствор POLIHARTENOL-E8 при комнатной температуре.

Микроструктура полученной отливки была улучшена по сравнению с микроструктурой отливки, затвердевающей в самоподдерживающейся керамической форме при температуре 400°С. Общее качество наружной поверхности отливки было очень хорошим в обоих случаях: указанная поверхность отличалась низкой шероховатостью и была блестящей и глянцевой. Отливка, изготовленная способом согласно настоящему изобретению, была более компактной, не имела внутренних дефектов и, по сравнению с отливкой, изготовленной с помощью традиционного метода, имела более высокую плотность, составляющую в зависимости от толщины стенки от 0,01 до 0,04 г/см. Более быстрая кристаллизация позволила уменьшить дендриты α_Aι твердого алюминиевого раствора; особенно явным было влияние связанной с переохлаждением модификации (α_Aι+&si) эвтектики. Кроме того, было установлено, что в доэвтектических силуминах типа AC-AISi7Mg0.3 параметры DAS (расстояние между осями дендритов) или SDAS (расстояние между вторичными осями дендритов), т.е. междендритное расстояние 1- и 11-порядка, лучше коррелируют со скоростью затвердевания, чем с размером зерна. В отливке, изготовленной из сплава AISi7Mg0.3 способом согласно настоящему изобретению, среднее расстояние между осями дендритов составляло 40 пм. Повышенная скорость затвердевания в отливке, изготовленной согласно настоящему изобретению, обуславливала увеличение механических свойств: R_m=280 МПа, R_p0.∑=235 МПа, А₅=4,0%, тогда как, например, в отливке, затвердевающей в традиционной керамической форме при комнатной температуре, среднее расстояние между осями дендритов составляет 47 пм и механические свойства принимают следующие значения: R_m=245 МПа, R_pa2=195 МПа, А₅=2,5%.

Пример 5

Три керамические формы на основе Молохита со связующим веществом типа LUDOX^® РХ30 обжигали при температуре 900°С в течение 2,5 часов и затем охлаждают до 500°С, выдерживали при такой температуре в течение 15 минут и далее заполняли жидким медным сплавом типа ВА1044, В555 или М059 согласно PN-91/H-87026, перегревали на от 100 до 150°С относительно исходной температуры плавления. Через 30 секунд после окончания заполнения полости формы, указанную форму погружали при скорости 8,5 мм/с в полимерный охлаждающий агент на основе POLIHARTENOL-E8 при концентрации H₂O от 15 до 25% об. и при температуре 35°С.

Наружная поверхность отливок из медного сплава отличалась низкой шероховатостью и была глянцевой, особенно в случае алюминиевой бронзы ВА1044. Быстрое направленное затвердевание отливок из медного сплава позволило уменьшить в микроструктуре как размер зерен, так и SDAS. Например, в сплаве В555, указанные расстояния были понижены: от 33 мкм - для отливок, изготовленных способом согласно настоящему изобретению, до 26 пм для отливок, подвергаемых естественному охлаждению в самоподдерживающейся молохитовой форме при температуре примерно 500°С. Условия охлаждения оказывали значительное влияние на твердость отливок из медного сплава, при этом величина твердости по Викерсу ВА1044 сплава в самоподдерживающейся форме составляла 232 единиц, указанная величина увеличивалась до 253 в отливке, направленно затвердевающей в форме, помещенной в жидкую полимерную среду. После быстрого направленного затвердевания отмечали общее увеличение параметров прочности Rm и Rp02, пластичности А5 и твердости по Викерсу исследуемых медных сплавов. Дополнительное увеличение механических свойств возможно после корректировки основной химической композиции и применения модификации/рафинирования и термической обработки.

Заявленное изобретение относится к литейному производству. Керамическую форму обжигают при температуре от 800 до 1000°С в течение от 2 до 4 часов, охлаждают до температуры от 20 до 950°С и выдерживают при такой температуре в течение от 10 до 40 минут. Осуществляют заливку в указанную форму жидкого сплава, перегретого на от 50 до 200°С относительно исходной температуры плавления, и по прошествии от 10 до 100 секунд указанную форму погружают с постоянной или переменной скоростью в жидкую охлаждающую среду, представляющую собой 1-99% об. водный раствор жидкого полимера при температуре от 15 до 85°С. Обеспечивается получение отливок с качественной внешней поверхностью и высокой однородностью макро- и микроструктуры в поперечных сечениях стенок. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

1. Способ изготовления точных отливок, предпочтительно в керамических формах, из сплавов на основе Al, Mg, Cu, Zn или Fe, включающий обжиг керамической формы при температуре от 800 до 1000°С в течение от 2 до 4 часов, охлаждение ее до температуры от 20 до 950°С и выдерживание при такой температуре в течение от 10 до 40 минут, заливку в указанную форму жидкого сплава, перегретого на от 50 до 200°С относительно исходной температуры плавления, и по прошествии от 10 до 100 секунд погружение указанной формы с постоянной или переменной скоростью в жидкую охлаждающую среду, представляющую собой 1-99% об. водный раствор жидкого полимера при температуре от 15 до 85°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкий полимер представляет собой полимер типа полиалкиленгликоля (PAG), или поливинилпирролидона (PVP), или акрилата (ACR), или полиэтиленоксида (РЕО).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют керамические формы, выполненные из алюминосиликата или высокоглиноземистых огнеупоров, в частности на основе синтетической формовочной смеси, например Молохита.

4. Отливка, изготовленная способом по любому из пп. 1-3.