Литниковая система для заливки крупногабаритных тонкостенных отливок, представляющих собой тела вращения из магниевых сплавов в атмосфере защитного газа, в формы из ХТС Российский патент 2020 года по МПК B22C9/08 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к получению отливок из сплавов на основе магния. И может быть использовано при получении крупногабаритных литых деталей авиационных, вертолетных и ракетных летательных аппаратов, в т.ч. двигателей, а также других литых деталей летательных аппаратов, работающих под действием высоких нагрузок, обеспечивающим высокую эксплуатационную надежность при низком весе изделия.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является Литниковая система для центробежного фасонного литья с вертикальной осью вращения RU №2570138 от 06.11.2015 г., который позволяет получить отливки из жаропрочных сплавов на основе титана для авиационной промышленности.

Недостатком данной литниковой системы является то, что она предназначена для центробежного литья жаропрочных сплавов на основе титана в графитовую форму, что не подходит для литья магниевых сплавов.

Также известен способ фасонного литья в кокиль крупногабаритных отливок из магниевых сплавов без защитной атмосферы инертных газов RU №2381867 от 29.02 2010 г который позволяет получить крупногабаритные отливки сложной конфигурации из сплавов типа МЛ5.

Недостатком данного способа является отсутствием защитной атмосферы вокруг заливаемого расплава, что приводит к окислению металла и снижению качества отливок. При литье в кокиль сплава МЛ5 такая технология допустима за счет высокой скорости охлаждения металла в форме, но при литье в ХТС аналогичных отливок она не может считаться приемлемой.

В то же время известен способ описанный в патенте СССР №118982 B22D 21/04, 1958 г, заключающийся в подаче газа тяжелее воздуха в полость формы перед заливкой и во время заливки, который позволяет защитить металл от излишнего окисления на воздухе.

Недостатком данного способа является отсутствие постоянной нейтральной атмосферы вокруг струи заливаемого расплава, что приводит к окислению металла и снижению качества отливок.

Известен также способ заливки отливок из магниевого сплава под смесью газов, N₂ и SF₆, описанный в патенте РФ №2139167 от 10.10.1999 г, где, перед заливкой расплава в форму полость формы заполняют через литниковую чашу газом тяжелее воздуха, например элегаз SF₆. Во время заливки подают газовую смесь, состоящую из одной части «тяжелого» газа и 10-20 частей «легкого» газа N₂.

Данный способ отличается от предлагаемого для использования с разработанной литниково-питающей системой составом газа и способом его подачи.

Техническим результатом является создание новой конструкции литниково-питающей системы, заполняемой защитной газовой смесью для получения крупногабаритных тонкостенных магниевых отливок сложной формы, близкой к форме тел вращения при наличии массивных тепловых узлов и сложного сопряжения стенок отливки в ХТС для летательных аппаратов. Особенностью патентуемой конструкции литниковой системы для получения крупногабаритных тонкостенных оливок, представляющих собой тела вращения, является обеспечение равномерной подачи расплава в различные части отливки и создание условий для последовательного затвердевания металла, обеспечивающего нарастание твердой фазы в направлении расположения прибылей.

Технический результат достигается следующим образом: Литниковая система для заливки магниевым сплавом отливок близких к форме тел вращения с минимально допустимой преобладающей толщиной стенки 4 мм в отливке, содержащая литниковую чашу, стояк, располагающийся внутри контура отливки параллельно вертикальной оси симметрии отливки, питателей, с возможностью подведения металла распределенного по нижним фланцам отливки, за счет разветвленной системы литниковых ходов, расположенных в форме ниже полости отливки, коллекторов, фильтровальных камер, вертикальных колодцев, дросселей и прибылей, полость формы заполнена смесью инертного и активного газов тяжелее воздуха, а поверхность полости формы покрыта огнеупорной краской.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена конструкция отливки с литниково-питающей системой, формируемой в форме из ХТС, в полость которой перед заливкой подается смесь газа CO₂ (ГОСТ 8050-85) с 1-10% SF₆ (ТУ6-02-1249-83), которая распределяется по всей литниковой системе, состоящей из стояка (1), радиальных и кольцевых коллекторов (2), фильтровальных камер для установки пенокерамических фильтров для дополнительной очистки металла и гашения гидравлических колебаний, возникающих при неравномерной заливке (3), питателей подводимых к стенкам отливки снизу (4), прибылей, установленных сверху в местах расположения тепловых узлов (5), конструкция которых отличается тем, что предусматривает дополнительный подвод горячего металла через вертикальные колодцы (6), что совместно с применением холодильников (7) обеспечивает направленное затвердевание отливки снизу вверх. В элементах формы и крышках, закрывающих прибыли в процессе заливки выполнены специальные каналы, обеспечивающие отвод защитного газа в атмосферу в процессе заполнения формы. На фиг.2 показан вид сверху на конструкцию отливки с литниково-питающей системой.

Расплав подается в форму через стояк (1), который представляет собой набор из нескольких вертикальных ходов прямоугольного сечения, что способствует торможению струи металла и более спокойному заполнению формы, после стояка (1), расплав попадает в радиальные, а затем и в кольцевые коллекторы (2) через фильтровальные камеры (3), где установлены пенокерамические (возможны и сетчатые) фильтры, служащие для очистки расплава от неметаллических включений и гашения гидравлических ударов, которые могут возникать при прохождении расплавом стояка (1), расположение радиальных и кольцевых коллекторов (2) ниже отливки в процессе заливки формы металлом, позволяет достичь их полного заполнения расплавом перед его подачей в полость, формирующую стенки отливки (4), через вертикальные колодцы (6), что позволяет исключить вспенивания металла и подсос воздуха в литниковых ходах, а также обеспечить равномерное заполнение расплавом тонких стенок отливки (4) и подогрев прибылей (5), поскольку, через вертикальные колодцы в стенки подается расплав, имеющий максимально возможную температуру, что обеспечивает отсутствие недоливов в форме и создание условий для затвердевания металла в отливке снизу вверх, этому способствуют и установленные снизу отливки холодильники (7), которые являются частью конструкции литейной формы, все эти меры обеспечивают отсутствие значимых усадочных дефектов в отливке.

Полость отливки располагается в форме таким образом, что ось отливки находится вертикально в процессе заливки и затвердевания металла, при этом стояк литниковой системы располагается внутри контура отливки параллельно вертикальной оси симметрии отливки, при этом питатели подводят металл распределено по нижним фланцам отливки, за счет разветвленной системы литниковых ходов, расположенных в форме ниже полости отливки, при этом, для исключения окисления заливаемого в форму металла, полость формы перед заливкой заполняется смесью инертного и активного газов тяжелее воздуха.

Литниковая система состоит из литниковой чаши, стояка, коллекторов, фильтровальных камер, питателей, вертикальных колодцев, дросселей, прибылей и питателей.

Суть предлагаемой конструкции литниково питающей системы для получения крупногабаритных магниевых отливок сложной формы с минимально допустимой преобладающей толщиной стенки 4 мм, близкой к форме тел вращения при наличии массивных тепловых узлов и сложного сопряжения стенок, в формы из ХТС заключается в достижении хорошего качества отливки за счет обеспечения спокойного и равномерного заполнения полости формы металлом, без создания областей перегрева и турбулентности металла, при этом обеспечивается направленное затвердевание металла от низа отливки к прибылям, что гарантирует отсутствие значимых литейных дефектов. Отсутствие очагов интенсивного окисления металла при этом гарантируется использованием смеси инертного и активного газов тяжелее воздуха, которой заполняется внутренняя полость отливки перед заливкой и обдувается открытая струя металла в процессе заливки.

При этом форма состоит целиком из стержней, полученных из холодно-твердеющих смесей и должна отвечать следующим требованиям:

• Поверхность стержней, контактирующая с расплавленным металлом, должна быть окрашена защитной огнеупорной краской предназначенной для покраски ХТС форм;

• Перед заливкой собранная форма заполняется защитной газовой смесью;

• Геометрические размеры вертикальных колодцев должны обеспечивать подпитку прибылей металлом непосредственно из литниковой системы в момент достижения расплавом в полости формы уровня прибылей, за счет чего обеспечивается более высокая температура металла в прибылях;

• Установленные холодильники должны, совместно с прибылями, обеспечивать движение фронта кристаллизации в отливке снизу вверх, к прибылям, за счет создания градиента температуры в отливке;

Сущность изобретения состоит в следующем: литниковая система для заливки магниевым сплавом отливок близких к форме тел вращения и с минимально допустимой преобладающей толщиной стенки 4 мм, при наличии массивных тепловых узлов и сложного сопряжения стенок представляет собой конструкцию, состоящую из стояка, располагающегося внутри контура отливки параллельно вертикальной оси симметрии отливки, при этом питатели подводят металл распределено по контурам отливки за счет разветвленной системы литниковых ходов, расположенных в форме ниже полости отливки. Для исключения окисления заливаемого в форму металла, полость формы перед заливкой заполняется смесью инертного и активного газов тяжелее воздуха. Литниковая система состоит из литниковой чаши, стояка, коллекторов, фильтровальных камер, питателей, вертикальных колодцев, питающих прибыли, дросселей, прибылей, при этом защитная смесь газов вытесняется поступающим расплавом из полости формы через вентиляционные каналы в крышках, закрывающих прибыли.

Процесс разработки литниково-питающей системы для получения отливки в ХТС форме состоит из следующих этапов:

Основываясь на классических методиках конструирования магниевых отливок, литниковых систем и фильтровальных элементов, разрабатывается компьютерная модель отливки и литниковой системы. При этом минимальная толщина стенки отливки составляет 4 мм, что позволяет получить толщину стенки детали от 3 мм после зачистки и операций хроматирования или фосфатирования поверхности. После проведения моделирования процесса заливки и затвердевания отливки в поле проводится конструирование литейной формы с соблюдением следующих условий:

• все элементы формы должны быть технологичными для изготовления их в стержневых ящиках по технологии ХТС;

• конструкция формы должна быть технологичной для ее сборки;

• элементы литейной формы, изготавливаемые из металла (холодильники) заформовываются в стержни и должны иметь конструкцию, позволяющую исключить самопроизвольное смещение холодильников в стержнях;

• холодильники из металла, заформованные в стержни, перед заливкой должны покрываться слоем антипригарной краски, исключающей возможность контакта сплава с поверхностью металла;

• литниково-питающая система должна гарантировать получение отливки в соответствии с требованиями конструкторской документации по геометрии и шероховатости поверхности;

• керамические фильтры должны выдерживать давление со стороны заливаемого металла и объем проходящего через них металла без разрушения;

ПРИМЕР

Была получена отливка «Корпус промежуточной опоры», с наружным диаметром детали 1022 мм и диаметром внутренней полости 645 мм, и преобладающей толщиной стенки 8 мм где была применена литниковая система с кольцевым нижним подводом металла в полость отливки (фиг. 1).

Данная отливка является частью корпуса авиационного двигателя и была разработана для изготовления по ХТС технологии в атмосфере защитного газа. Отливка изготавливалась из магниевого сплава МЛ 19 (ГОСТ 2856-79). Масса заливаемого металла составила 100 кг.

Полученная отливка, после выбивки стержня, не имела литейных поверхностных и внутренних дефектов.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье из магниевых сплавов отливок, близких по форме к телам вращения, с преобладающей толщиной стенки не менее 4 мм. Литниковая система содержит литниковую чашу, стояк (1), расположенный внутри контура получаемой отливки параллельно ее вертикальной оси симметрии, и разветвленную систему литниковых ходов. Литниковую систему заполняют смесью инертного и активного газов тяжелее воздуха. Система литниковых ходов содержит радиальные коллекторы (2), соединенные с фильтровальными камерами, выполненными с возможностью подведения сплава к кольцевым коллекторам (2), и вертикальные колодцы (6), выполненные с возможностью подведения сплава из кольцевых коллекторов в полость (4) формы и с возможностью подпитывания прибылей (5). Кольцевые и радиальные коллекторы расположены ниже полости литейной формы, определяющей стенки получаемой отливки. Обеспечивается равномерная подача расплава в различные части отливки и создание условий для последовательного затвердевания металла в направлении расположения прибылей. 2 ил., 1 пр.

Литниковая система литейной формы из холоднотвердеющей формовочной смеси для литья из магниевых сплавов отливок, близких по форме к телам вращения, с преобладающей толщиной стенки не менее 4 мм, содержащая литниковую чашу, стояк, расположенный внутри контура получаемой отливки параллельно ее вертикальной оси симметрии, и разветвленную систему литниковых ходов, при этом литниковая система выполнена с возможностью заполнения ее смесью инертного и активного газов тяжелее воздуха, а разветвленная система литниковых ходов содержит радиальные коллекторы, соединенные с фильтровальными камерами, выполненными с возможностью подведения сплава к кольцевым коллекторам, и вертикальные колодцы, выполненные с возможностью подведения сплава из кольцевых коллекторов в полость формы и с возможностью подпитывания прибылей, причем кольцевые и радиальные коллекторы расположены ниже полости литейной формы, определяющей стенки получаемой отливки.