Способ изготовления композиционных чугунных отливок

 

Изобретение относится к литейному производству и касается изготовления композиционных чугунных отливок специальными способами литья. Способ включает приготовление вставок из легирующей композиции, вклеивание их в пенополистироловую модель, изготовление литейной формы и заливку формы расплавом серого чугуна. Вставки приготавливают из смеси, имеющей следующий состав, мас. %: порошкообразный магний 2-4; скрытокристаллический графит 3-4; феррохром ФХ650 или ФХ800 2-3; полистирол 1,5-2; ферротитан с содержанием титана 60-68% - остальное. Входящие в состав вставки материалы обеспечивают протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при заполнении литейной формы жидким чугуном. Реакция протекает с выделением большого количества тепла. Обеспечивается улучшение условий формирования в чугунных отливках износостойкого твердосплавного поверхностного слоя и высокопрочного переходного слоя. 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к технологии изготовления композиционных отливок специальными способами литья.

Известен способ изготовления композиционных чугунных отливок (прокатных валков) с износостойким поверхностным слоем из белого высокохромистого чугуна, заключающийся в использовании центробежного литья с последовательным заполнением формы сначала расплавом высокохромистого чугуна, а затем - расплавом чугуна с шаровидным графитом [1].

Недостатками способа являются необходимость параллельной выплавки двух разных чугунов, что значительно усложняет возможность получения композиционных отливок в большинстве литейных цехов, а также нецелесообразность использования способа при изготовлении отливок сравнительно небольшого сечения (до 20-30 мм) из-за их сквозного отбела и необходимости последующего длительного графитизирующего отжига.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления композиционных чугунных отливок, включающий приготовление легирующей композиции в виде вставок, подготовку литейной формы с использованием вставок и заливку формы расплавом серого чугуна [2]. Способ пригоден при изготовлении крупных чугунных отливок. Недостатками способа являются большая трудоемкость и нестабильные результаты при изготовлении мелких и средних чугунных отливок.

Задача изобретения - улучшение условий формирования износостойкого твердосплавного поверхностного слоя и высокопрочного переходного слоя в чугунных отливках мелкого и среднего развеса.

Технический результат - обеспечение стабильного получения композиционных чугунных отливок мелкого и среднего развеса с заранее заданными свойствами.

Это достигается тем, что в способе изготовления композиционных чугунных отливок, включающем приготовление вставок из легирующей композиции, подготовку литейной формы с использованием вставок и заливку формы расплавом серого чугуна, вставки приготавливают из смеси, имеющей следующий состав, мас.%: Порошкообразный магний - 2-4 Скрытокристаллический графит - 3-4 Феррохром ФХ650 или ФХ800 - 2-3 Полистирол - 1,5-2 Ферротитан с содержанием титана 60-68% - Остальное вставки вклеивают в пенополистироловую модель и используют ее при изготовлении литейной формы.

Использование пенополистироловых моделей выбрано, исходя из следующих соображений: 1. В пенополистироловые модели значительно облегчен монтаж вставок путем их вклеивания.

2. При заполнении формы жидким металлом пенополистироловые модели газифицируются, создавая в форме восстановительную атмосферу и обеспечивая дополнительный источник углерода для протекания СВС-реакций (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза).

3. Метод литья по газифицируемым пенополистироловым моделям экономически и технологически наиболее пригоден для получения точных отливок мелкого и среднего развеса.

При заполнении литейной формы жидким чугуном в зоне расположения вставок протекает СВС-реакция. В качестве такой реакции выбран процесс образования карбида титана: Ti+С-->TiC, сопровождающийся выделением большого количества тепла (~230 кДж на 1 моль карбида титана), что приводит к резкому разогреву металла в зоне СВС-вставки (до 1600-1650^oС) и формированию в этой зоне металлокерамического слоя на основе высокотвердого и износостойкого карбида титана. В процессе расплавления материала вставок и протекания СВС-реакции происходит также частичный массо- и теплообмен с прилегающими слоями жидкого чугуна. Поэтому после завершения процессов кристаллизации отливка приобретает композиционный (макрогетерогенный) характер со значительным различием в химическом составе, структуре и свойствах металла в разных зонах отливки при сравнительно плавном переходе от одной зоны к другой.

Основой СВС-вставок должен служить ферротитан, содержащий 65-68% Ti, в связи с его сравнительно низкой температурой плавления (1080-1100^oС), что обеспечивает его гарантированный перевод в жидкое состояние при температуре заливаемого в форму жидкого чугуна и значительно облегчает протекание СВС-реакции.

В качестве второго основного компонента вставки должен входить графит в количестве, обеспечивающем (совместно с углеродом других составляющих вставки, жидкого чугуна и газовой атмосферы литейной формы) протекание СВС-реакции. Количество графита, рассчитанное исходя из указанных условий с учетом трехкратного разбавления материала вставки жидким чугуном и подтвержденное экспериментально, составляет 3-4%.

Третьим компонентом материала вставки принят феррохром с целью предотвращения возможности графитообразования в зоне СВС-вставки и обеспечения достаточного количества карбидов в переходном слое. Расчет показывает, что для этого необходимо иметь в материале вставки среднее содержание хрома 1,5-2%, что в пересчете на высокоуглеродистый феррохром ФХ650 или ФХ800 (соответственно до 6,5-8% С и не менее 65% Сr) составляет 2-3% (по массе).

Магний в составе СВС-смеси играет роль модификатора расплава в поверхностной и переходной зонах. Переходя в парообразное состояние, он активно рафинирует расплав, и, перемещаясь на значительные расстояния вглубь отливки, обеспечивает формирование переходной зоны со структурой высокопрочного чугуна с шаровидным и (или) вермикулярным графитом. При принятом содержании магния в СВС-смеси он распределяется следующим образом: в материале поверхностного слоя его среднее содержание составляет более 0,1%, в чугуне переходной зоны содержание магния меняется от 0,08-0,06% на границе с поверхностным слоем до 0,03-0,02% при переходе к основной структуре чугуна с пластинчатым графитом. Путем диффузии и вымывания потоком жидкого чугуна из зоны СВС-вставки в переходную зону частично перемещаются также титан и хром, формируя в ней половинчатую структуру с карбидами разного типа (TiC, М₇С₃ и М₃С, где М - атомы металла) и графитом.

Полистирол введен в состав СВС-смеси в качестве связующего. После компактирования смеси (например, в виде пластины) и ее нагревания полистирол размягчается, распределяясь между зернами остальных составляющих, а при охлаждении - затвердевает, связывая их между собой. Для этой цели достаточно вводить в состав смеси 1,5-2% полистирола в порошкообразном виде.

Пример реализации способа - изготовление композиционных чугунных отливок в виде плит размером 80х80х33 мм. В пенополистироловые модели размером 80х80х30 мм с одной из широких сторон вклеивались тонкие пластинки размером 80х80х3 мм, изготовленные из СВС-смесей двух составов, соответствующих предельным значениям составов по формуле изобретения (см. таблицу).

В одном модельном блоке монтировали 6 моделей при их вертикальном расположении и сифонном подводе металла со стороны, противоположной расположению СВС-вставки. Литейную форму изготавливали обычным способом, характерным для литья по газифицируемым моделям. Форму заливали расплавом серого чугуна обычного химического состава, мас.%: 3,5 С; 2,3 Si; 0,7 Mn; 0,05 Cr; 0,07 S; 0,1 Р. Температура жидкого чугуна, заливаемого в форму, составляла 1400-1420^oС. При заполнении форм расплавом чугуна никаких внешних отклонений (пироэффекта или повышенного дымовыделения) от обычного процесса не наблюдалось. СВС-вставки срабатывали полностью.

Всего были изготовлены 12 отливок по 2 модельным блокам с СВС-вставками, выполненными из смесей 1 и 2.

Металлографический анализ металла отливок показал, что структура поверхностного слоя имела в основном характер двойной эвтектики с карбидами титана; в небольшом количестве в этом слое наблюдались также компактные включения избыточных (первичных) карбидов титана, причем общее количество карбидов титана составляло по объему 20-25%. Металлическая основа этой структуры представляла собой в основном пластинчатый троостосорбит. Толщина поверхностного слоя в разных отливках составляла от 5 до 8 мм, а его твердость в литом состоянии 55-60 HRC. После термической обработки (закалки и отпуска при 200^oС) твердость этого слоя повышалась до 80-85 HRA, что соответствует металлокерамическим твердым сплавам.

Переходная зона имела толщину от 5 до 12 мм и содержала половинчатые структуры (от структуры с преобладанием карбидов при очень малом количестве графита вблизи поверхностного слоя до структуры с высокой степенью графитизации при небольшом количестве легированного цементита в конце переходной зоны). Графит имел компактную (от шаровидной до вермикулярной) форму, металлическая основа - пластинчатый сорбит. Твердость металла в этом слое менялась в основном от 350 до 220 НВ. Такая структура и повышенная твердость чугуна в переходной зоне обеспечивают его высокие прочностные свойства.

При большем удалении от зоны СВС-вставки (то есть за пределами переходной зоны) сохранялась структура перлитного серого чугуна, но в ней появлялись отдельные изолированные участки цементита (в количестве около 5%). Твердость чугуна в этой зоне у разных отливок составляла 220-180 НВ.

Проведенные эксперименты показали композиционный характер изготовленных отливок при высокой стабильности результатов, так как отклонения от описанных результатов не было ни в одной из 12 исследованных отливок.

Источники информации 1. Заявка Японии 57-35661, кл. С 22 С 37/08, В 21 В 27/02, 1980.

2. Патент DE 4112000 А1, В 22 D 19/00, 24.09.1992.

Формула изобретения

Способ изготовления композиционных чугунных отливок, включающий приготовление вставок из легирующей композиции, подготовку литейной формы с использованием вставок и заливку формы расплавом серого чугуна, отличающийся тем, что вставки приготавливают из смеси, имеющей следующий состав, мас.%:
Порошкообразный магний - 2-4
Скрытокристаллический графит - 3-4
Феррохром ФХ650 или ФХ800 - 2-3
Полистирол - 1,5-2
Ферротитан с содержанием титана 60-68% - Остальное
вставки вклеивают в пенополистироловую модель и используют ее при изготовлении литейной формы.

РИСУНКИ

Рисунок 1