Способ обработки литейных форм для получения литья из химически активных металлов Советский патент 1982 года по МПК B22C9/18 B22C3/00 

(Sl) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЬЯ ИЗ ХИ ШЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к литейному производству, а и 1енно к способам обработки керамических литейных сЬорм по постоянным или удаляемым моделям с об разованием защитного покрытия, предот вращающего взаимодействие тугоплавких химически активных металлов, например сплавов титана, с материалом формы. При литье титана и его сплавов -в керамические формы достигается повышенная размерная точность отливок по сравнению с углеродной формой, а также более высокая производительность процесса формообразования. Однако рас плав при заливке, кристаллизации и охлаждении взаимодействует с материалом формы и на поверхности отливки образуется загрязненный оксидами металла слой с видоизмененной структурой, так называемый аль(})ированный сло повышенной твердости, склонной к образованию трещин, что резко снижает эксплуатационные свойства изделий и существенно затрудняет их механическую обработку П1. Известен способ обработки керамических форм, включающий нанесение на ее поверхность нагретую до 300Cj покрытие из оксидов металлов,с помощью газовых или пламенных горелок . Однако такой способ невозможно применить для форм, изготовленных по удаляемым моделям (выплавляемым и выжигаемым). Кроме того, оксидное покрытие является кислородосодержащим и поэтому само может окислять заливаемый металл. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки литейных форм, включающий пропитку.(Ьорм водными растворами хлоридов металлов цинка, магния, калия, натрия Гз Однако реализация данного способа позволяет только несколько снизить толщину поверхностного загрязненного СЛОЯ с видоизмененной структурой, а в ряде случэев загрязнение отливок даже увеличивается. Это объясняется следующими причинами. 1.Применение солей галогенов,которые подвергаются гидролизу, т.е. взаимодействию с водой, в водных рас ворэ/ч, например, ZnCl2, KJ, HgCl2, AICI, СгСЦ и др., наоборот усиливает взаимодействие заливаемого металла с формой, так как в результате гидролиза на поверхности форм образу ется покрытие не из солей, а из гидрооксидов данных металлов (ZnCOH), КОН, Мд(0н4, AI(OH),,, А1 (ОН) , 1Сг(ОН)э, и др.) которые в результату заливки при повышенных температурахпереходя в оксиды и выделяя воду, ин тенсивно окисляют заливаемый металл, в частности титан. При этом глубина загрязненного альфированного слоя на поверхности титановых отливок возрастает. 2.Применение солей галогенов с низкими температурами кипения (KJ, ZnCl2, MgCl, AlClj,, BeCla. и др.), составляющими не более Г),8 от температуры заливки металла (I7i0-1780 С) приводит к тому, что при заливке формы солевое покрытие полностью воз гоняется, поверхность керамической формы оголяется и загрязнение поверх ностного слоя отливки происходит уже за смет непосредственного взаимодействия металла с оксидами керамическо формы. Образующиеся газы от возгонки соли могут образовывать в отливке газовые раковины, 3.Отсутствие оптимальной концент рации раствора и оптимального режима тепловой обработки не позволяет полумать на поверхности формы качественное достаточной толщины без нарушения сплошности солевое покрытие. Помещение форм, пропитанных раство-. ром соли, сразу в зону температур 250-300С приводит к нарушению сплош ности покрытия из-за бурного кипения растворителя (воды). При недостаточной концентрации соли в растворе вообще нельзя получить равномерное и сплошное покрытие на поверхности формы. k. Наличие четырехкратной пропитки форм ,в солевом растворе приводит к полному заполнению пор формы солевым раствором и делает ее практическ газонепроницаемой, что существенно ухудшает условия формирования отливки , так как пары соли остаются в рабочем объеме формы и приводят к поражению отливок газовой пористостью (раковинами). Цель изобретения - предотвращение взаимодействия формы с заливаемым металлом и улучшение качества за счет предотвращения образования альфированног.о слоя на поверхности отливок, повышение их качества и об-, рабатываемости отливок. Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки литейных форм, включающем пропитку их водными растворами хлоридов с последующим их нагревом, форму пропитывают 2k 6%ным водным раствором хлорида кальция или бария, или натрия, или калия, а при нагреве осуществляют изотермическую выдержку при 85-100 С до полного, удаления химически несвязанной BOflbf, затем проводят изотермическую выдержку при температуре 250- 00с до полного удаления кристаллогидратной воды из упомянутых хлоридов, причем скорость нагрева форм от первой изотермической выдержки до второй составляет 3 9 С/мин. С целью получения качественных отливок с толщиной стенок 10-15 мм используют водный раствор хлорида натрия или калия, или кальция, а вторую изотермическую выдержку проводят при . С целью получения качественных отлив.ок с толщиной стенок 30-50 мм используют водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 95 и 320С. С целью получения качественных отливок с толщиной стенок более 60100 мм используют водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 100 и . С целью получения качественных отливок с толщиной стенок мм используют водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 85 и 250С, Из хлоридов щелочно-земельных металлов используют только хлориды бария и кальция, а из хлоридов щелоч.. ных металлов - хлориды натрия и каЛИЯ. Галогены (хлориды, бромиды, иодиды) всех остальных элементов периодической системы использовать нельзя, так как они или в водных растворах подвергаются гидролизу, или имеют температуры кипения менее 0,8 температуры заливаемого титана, или как, например, фториды, взаимодействуют с металлом. бария, кальция, натрия и калия не подвергаются гидролизу, т.е образуют на поверхности формы чисто солевЬе покрытие, имеют температуры кипения,. составляющие 0,8-1,1 от тем пературы заливаемого металла, что практически исключает возгонку покры тия при заливке металла. При соблюдении всех параметров предлагаемого способа обработки на поверхности формы образуется покрыти из хлоридов металлов, абсолютно инер ное к заливаемому металлу и, кроме того, полностью изолирующее заливаемый металл от взаимодействия с материалом керамической формы. Предпочтительнее использование хл рида бария (ВаС}) как наиболее химически устойчивого к заливаемому ме таллу, склонного к поглощению вредых для титана элементов (П, Н2 М С и др.) и имеющего температуру кипения ( выше температуры за ливки металла, т.е. отношение температуры плавления BaCt. к температуре заливаемого металла составляет 1,1. Раствором хлористого бария обрабатывают формы для отливок практически любых габаритов и с любой толщиной стенки. Растворы хлористого натрия или калия, или кальция целесообразно использовать для обработки форм отливок небольших габаритов и с толщиной стенки 10-15 мм. Это объясняется тем что температура кипения солей NaCI, КС1.И CaCI составляет 0,8-0,91 температуры заливаемого металла. Концентрация раствора влияет на толщину образующегося солевого покры тия. Уменьшение концентр ации соли ни же снижает эффект обработки за счет уменьшения толщины и сплошности покрытия, а дальнейшее повышение кон центрации (выше 36 ) не целесообразно, так как толщина образую114егося по крытия, например хлорида бария, достаточна для получения качественных без альфированного слоя отливок прак тически любых габаритов и с любой толщиной стенки. Кроме того, дальней шее увеличение концентрации приводит к возрастанию толщины покрытия, что нарушает геометрическую точность отливок, С увеличение толщины стенок отливки возрастает в указанных пределах и концентрация раствора соли. После обработки форм в водном растворе их необходимо подвергнуть сначала изотермической выдержке при 85 100 С в течение 45-90 мин с целью полного удаления химически несвязанной воды (растворителя). Дальнейшее повышение температуры производить нельзя, так как это приводит к кипению растворителя, а следовательно, к нарушению сплошности и равномерности покрытия. Температуры кипения водных растворов данных солей указанных концентраций находятся в интервале 101-llO C. Понижение температуры приводит к увеличению длительности изотермической выдержки, что снижает производительность процесса. После удаления растворителя (воды) формы подвергают второй изотермической выдержке при в течение 1, часов. При этом происходит полное удаление связанной кристаллогидратной воды из образующихся кристаллогидратов типа , При более низких температурах (ниже 250°С) кристаллогидратная вода, которая является сильным окислителем для заливаемого металЬа, не удаляется полностью, что снижает эффект обработки, а следовательно, и качество получаемых отливок. Повышение температуры выше 400 С нецелесообразно, так как при том же эффекте, обеспечивающем полное удаление кристаллогидратной воды,повышается расход энергии, усиливаются термические напряжения в форме. Пример 1. Электрокорундовые формы по выплавляемым моделям со связующим гидролизованным раствором этилсиликата для отливок с толщиной стенки 8-12 мм обрабатывают по известному способу 27-29 растворами хлорида магния (MgCl2) натрия (NaCi) путем четырехкратной пропитки и сразу же помещают на сушку при 250-300 С. Обработанные формы заливают сплавами титана ВТ5Л, АТ9Л и ВТ20Л в гарнисажно-дуговой печи.ВДЛ-Ц. Металлографический анализ показывает, что на всей поверхности отливок, полученных в формах, обработанных хлоридом магния, имеется альфированный слой толщиной им, а на отливках, полученных в формах, обработанных хлоридом натрия, альсЬированный слой толщиной 180-250 мкм проявляется в виде крупных пятен разнообразной формы. В обоих случаях на отливках имеется пригар и открытая газовая пористость, С увеличением толщины стенки отливки глубина аль фированного слоя возрастает. С целью обеспеченил нормальной эксплуатации данных деталей, а также возможности их механической, обработки, их подвергают травлению для снятия альфированного слоя. Пример 2, Электрокорундовые формы по выплавляемым моделям со связующим гидролизованным раствором этил силиката для отливок с толщиной стенки до 25 мм обрабатывают 2k% раствором хлорида бария (ВаС) и подвергаiOT ступен|-|атой изoтep 1ичecкoй выдержке сначала при в течение 50 мин а затем при 250°С а течение 3 ч. Скорость чагреаэ Форм от первой изотермической выдержки до второй составляет 3 5°С/мин, Обработанные формы заливают сплагаами т;1тана 8Т5Л, ВТ9Л, ВТ20Л в гар;- иса;:1 -0-дуг-о1зой пеми ВДЛ. Ь1е;зллогрзф;- мес сий анализ показывает гюпное отсутствие альфированного слоя ме поЕэрХгЮсти отливок, ; : ; :.; Г 3- З.Г:8; ТрОКОруЧДООЬ Э ;1)О|Эмы :1о );-ппавляа;иь г.; ксделя;- со свя™ гидролизованным pacTBOpori з илсчликато для ОТЛИЕО:С с толУ1И1-:ОЙ стенк.-: 30-50 мм обрабатывают 30% pacTi3opOM хпорида бария и подверга;0т с упеп1- ;: гой 13отер;- ической вь-дер);ке сна-isna rioi- С в сечение 70 миZ Ч . I. КО рость. нагрева.форм от первой изотермической выдержки до второй составляет 3 9 -/мин, . Обработанные формы заливают сллавами титана ВТ5Л, ВТдЛ, ВТ20Л в гарнисажно-дуговой печи ВДЛ-к Металлографический анализ показывает полное отсутствие альфированного слоя на поверхности отливок. Пример А. Электрокорундовые формы по выплавляемым моделям со свя зующим гидролизоваиным раствором этилсиликата для отливок с толщиной стенки более 60-100 мм обрабатывают 36;S раствором хлорида бария и подвергают ступенчатой изотермической выдержке сначала при в течение 90 мин, а затем при в течение 1, ч. Скорость нагрева Лорм от первой ступени изотермической выдержкм до второй составляет 3 ЧС/мин. Обработанные формы заливают сплавами титана BTSIl, ВТдЛ, ВТ20Л а гарнисамно-дуговой печи ВДЛ-|. Металлографический анализ показывает полное отсутствие альфированного слоя на поверхности отливок.. Пример 5 Электрокорундовые формы по выплавляемым моделям со связующим гидролизованным раствором этилсиликата для отливок с толщиной стенки до 15 мм обрабатывают 28% растворами хлорида натрия и 1сальция подвергают ступенчатой изотермической выдержке сначала при 90 С в течение 1 ч, а затем при в течение 3 ч. Скорость нагрева форм от первой изотермической выдержки до второй составляет С/мин, Обработанные формы заливают сплавами титана BT5/lj ВТ9Л, ВТ20Л в гарнисажно-дуговой печи ВДЛ-. Металлографический анализ литых титановых образцов методом травления, э также путем замера микротЕзердости -г приборе показгъп полное отсутствие альфированного слоя на по: отливок. : во ;-; мехй;-ги;-1есхие свойства no.riy4ei-,Hi:;x з формах, обрапс паедларавному способу ССОТВ (С Г8У;0 I/ а химические свойства - ОСТ 190013-71. Таким образе;. по сравнению с известным способом предлагае:ь Й способ позБо.пяет оптичизировзт ь процесс обработк;.- Непами- еских форм 0од|- ыми раствораии солзй и тем самым исключить взаимодействие заливаемого метзлла с .материалом формЫ; предотвратить тем caiibiM образование альфированного слоя на поверхности отливок, улучшить их качество и обрабатываемость, Оор.му.па изобретения 1. Способ обработки литейных форм для получения литья из химически активных металлов, включающий пропитку прокаленных форм водными растворами хлоридов с последующим их нагревом, о т л и ч а ю щ и и ся тем, что, с целью предотвращения взаимодействия (Ьормы с заливаемы металлом и улучшения качества литья за счет предотвращения образования альфированного слоя на поверхности отливок, повышения их качества и обрабатываемости, форму пропитывают 24-Збо-ным водным г створом хлорида кальция или бария, или натрия, или калия, а при нагреве осуществляют изотермическую выдержку при SSIOOC до полного уда ленив химически несвязанной воды, за тем проводят изотермическую выдержку при температуре С до полного удаления кристаллогидратной воды из упомянутых хлоридов, причем скорость нагрева форм от первой изотермической выдержки до второй составляет 3-9 с/мин. 2,Способ по п. 1,отли чающий с я тем, что, с целью получения качественных отливок с толщиной стенок 10-15 мм, используют водный раствор хлорида натрия ил калия, или кальция, а вторую изотермическую выдержку проводят при 350itOO C, 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью получения качественных отливок толщиной стенок 30-50 мм, используют 9 Ю водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 95 и 320С.. . Способ по п. 1 , о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью получения качественных отливок с толщиной стенок более 60-100 мм, используют водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 100 и iOO°C. 5. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью получения качественных отливок с толщиной стенок 15-25 мм, используют водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 85 и . Источники инсЬормации, принятые во внимание при экспертизе 1. Гуляев Б.Б. и др. Литье тугоплавких металлов. М., Машиностроение, Э6Ц, с. 13-18. 2. Патент США W , кл. 16А-71 , опублик. 1976. 3- Ковалев Ю.Г. и др. Поверхностный слой титановых отливок. Повышение качества отливок из легких сплавов. Сборник. , 1977, с..