СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ Советский патент 1995 года по МПК B22D19/00 B22D7/02 

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, а именно к получению многослойных литых заготовок, например, слитков или биметаллических отливок.

Известен способ получения биметаллических непрерывнолитых заготовок, включающий нанесение защитного шлака в виде порошка на нагретую поверхность заготовки.

Недостатком этого способа является ограниченность защитных функций слоя порошкообразного шлака, через который непрерывно проходит заготовка. Это обусловлено отсутствием постоянного обновления и удаления загрязненного слоем шлака, контактирующего непосредственно с поверхностью заготовки. Кроме того, способ не гарантирует равномерного распределения защитного покрытия по всей свариваемой поверхности, что уменьшает стабильность размеров переходной зоны свариваемых слоев и ее качество.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ плазменного дугового переплава расходуемой заготовки, в котором для улучшения качества получаемой заготовки непрерывно наносят защитный шлак на поверхность свариваемых слоев в процессе заливки.

Основным недостатком известного способа является повышенная сложность реализации способа при изготовлении фасонных и крупногабаритных литых заготовок.

Указанный способ является наиболее близким техническим решением к описываемому изобретению.

Целью изобретения является повышение стабильности размеров переходной зоны и качества соединения слоев.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения многослойной литой заготовки, включающем непрерывное нанесение защитного шлака на поверхность свариваемых слоев в процессе заливки, кислородонепроницаемый шлак наносят в виде сплошной пленки, образуемой при свободном течении шлака по затвердевшей поверхности частично закристаллизовавшегося слоя с постоянным расходом в пределах 0,4-0,75 г/см².

Непрерывное нанесение шлакового защитного покрытия на твердую поверхность частично закристаллизовавшегося слоя в процессе последовательной заливки слоев позволяет совместить операции по защите соединяемых поверхностей слоев от вторичного окисления и шлакованию заготовки, расширить температурный интервал сваривания слоев и снизить термонапряжения в зоне сваривания.

Указанный расход шлака обеспечивает образование на соединяемых поверхностях слоев защитной пленки, обладающей достаточной кислородонепроницаемостью. Такая пленка интенсивно растворяет и уносит окислы с поверхности, уменьшает и выравнивает теплоотвод с поверхности, что и способствует стабилизации размеров переходной зоны.

При удельном расходе шлака менее 0,4 г/см² образующаяся пленка быстро насыщается окислами, увеличивая свою вязкость и кислородопроницаемость, особенно в случае окислов переходных металлов.

При удельном расходе свыше 0,75 г/см пpоисходит неполное удаление шлака в процессе заливки с поверхности слоя, приводящее к увеличению содержания неметаллических включений в зоне соединения слоев.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены схемы, иллюстрирующие предложенный способ на примере биметаллической отливки. На поддоне 1 выполнена выемка 2 для приема отработанного шлака 3 из непрерывно наносимого слоя на поверхности центрального стержня 4-первого слоя биметаллической отливки. Сифонная литниковая система 5, доступ в которую шлаку преграждает пробка 6. В литниковую систему металл подается через центровую 7. В процессе заливки из бункера 8 синтетический шлак 9 подается на поверхность центрального стержня. Изложница 10 после полного затвердевания металла 11 второго слоя биметаллической отливки удаляется.

На фиг.1 показан момент, когда после отливки стержня 4 под воздействием высокой температуры (стержень 4 находится в стадии кристаллизации, а его температура на наружной поверхности составляет 0,7-0,95 температуры солидуса) шлак из бункера начинает плавиться и на поверхности отлитой заготовки формируется пленка из шлака 3. Пленка шлака, стекая с поверхности заготовки растворяет и уносит окислы, предохраняя поверхность от вторичного окисления. Насыщенный окислами шлак собирается в выемке 2. Пробка 6 убирается перед установкой второй изложницы 10.

При заливке второго слоя (фиг.2 и 3) металла 11 через центровую 7 и сифонную систему 5 поступает в полость изложницы, при этом пленка шлака омывается с поверхности первого слоя, отработанный шлак концентрируется на зеркале металла, предохраняя его от окисления. Свежие порции шлака поступают на поверхность отлитого слоя непрерывно на протяжении всего периода отливки второго слоя, вплоть до его окончания, после чего бункер удаляется. Для отливки многослойных заготовок используются сменные бункеры, причем объем бункеров рассчитывается, исходя из удельного расхода шлака и типоразмера каждого отличаемого слоя.

Защитная пленка шлака, обладающего достаточно низкой вязкостью в области выбранных температур, равномерно растекаясь по поверхности сваривания, благоприятно влияет на характер температурного поля кристаллизующейся заготовки, выравнивает теплоотвод с ее поверхности и обеспечивает стабилизацию размеров переходной зоны в пределах 20-30% от ее номинального размера, что свидетельствует об улучшении качества сваривания металла слоем в целом.

Толщина (δ) пленки кислородонепроницаемого защитного шлака на поверхности заготовки зависит от вязкости (η), поверхностного натяжения (σ) и плотности расплава шлака (ρ) и может быть рассчитана для определенных условий по формуле
δ 0,95
Как показывают расчеты, выполненные, например, для шлаковой системы Na₂B₄O₇-B₂O₃-K₂ZrF₆-SiO₂ при вязкости шлака в пределах 4-6 Пз (обеспечивающей надежные защитные свойства пленки), значениях поверхностного натяжения -200-250 мДж/см² и плотности -2,0-2,2 г/см³ толщина защитной пленки составляет 0,4-1,0 мм. В основе указанной шлаковой системы, обеспечивающей надежную защиту поверхности заготовок в интервале температур 800-1150^оС, лежит околоэвтектический сплав буры (60-80%) и борного ангидрида (10-30% ) с активными добавками (К₂ZrF₄, SiO₂ и др.), способствующими уменьшению адгезии, увеличению растекаемости и повышению способности системы к растворению окислов металлов (FeGr, Mn, Ni и др.). Такие шлаки не диссоциируют в атмосфере воздуха вплоть до температуры 1100-1150^оС и имеют низкую кислородопроницаемость за счет повышенной упаковки ионов в структуре и прочности связей в решетке.

При толщине пленки шлака в пределах 0,4-1,0 мм и принятых в расчетах значениях вязкости, поверхностного натяжения и плотности краевой угол смачивания в рабочем интервале температур равен 15-20^о, что свидетельствует о высокой степени смачивания поверхности заготовок шлаковым расплавом. Работа адгезии шлака при тех же температурах непрерывно повышается от 330 и 390 мДж/м², при этом работа когезии прямолинейно понижается. Расчеты показали, что энергия взаимодействия между атомами металла и ионами шлака с повышением температуры увеличивается и составляет 70-90% от межионного притяжения, что также определяет улучшение смачивания, расплавом шлака.

Удельный расход шлака в условиях самопроизвольного растекания по поверхности сваривания определяется физико-химическими свойствами расплавов шлака, температурными условиями процесса и в интервале температур поверхности 0,7-0,95 температуры солидус сплава находится в пределах 0,40-0,75 г/см².

Стендовые и натурные испытания в условиях значительных знакопеременных циклических нагрузок биметаллических пальцев экскаваторов показали, что предложенный способ обеспечивает повышение ресурса их работы на 400-450%

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ, включающий непрерывное нанесение защитного шлака на поверхность свариваемых слоев в процессе заливки, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности размеров переходной зоны и качества соединения слоев, кислородонепроницаемый шлак наносят в виде сплошной пленки, образуемой при свободном течении шлака по затвердевшей поверхности частично закристаллизовавшегося слоя с постоянным расходом в пределах 0,4 0,75 г/см².