Способ изготовления кольцевых отливок из титана и титановых сплавов

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству с использованием центробежной силы. Способ включает нанесение защитного покрытия на рабочую поверхность металлического кокиля, заливку в кокиль жидкого металла и центробежную отливку заготовки, при этом перед нанесением защитного покрытия рабочую поверхность кокиля подвергают пескоструйной обработке абразивным материалом с размером частиц 630-800 мкм, например электрокорундовым песком, нагревают ее до температуры 250-350°С, затем на нее наносят оксикарбонитрид титана толщиной 0,1-0,4 мм, а плавку, заливку титана в металлический кокиль с толщиной стенки 0,5-2,0 от толщины стенки отливки и изготовление отливки производят в вакууме с остаточном давлением 10-2-10-4 мм рт. ст. Использование изобретения повышает качество отливок и стойкость литейной формы. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству, а именно получению отливок с использованием центробежной силы, и может найти широкое применение в судостроительной, машиностроительной и других отраслях промышленности, производящих отливки из титана и титановых сплавов.

В настоящее время большинство кольцевых деталей из титана и его сплавов получают ковкой, штамповкой или вальцовкой из листа. Однако, как показывает производственный опыт, в этих случаях имеет место высокая трудоемкость изготовления и низкий коэффициент использования металла, не превышающий 0,16-0,22.

Получение кольцевых заготовок по общепринятой технологии в набивную форму из периклаза, окиси алюминия или графита связано с образованием на поверхности отливок слоя повышенной твердости, состоящего из окислов или карбидов титана.

Получение кольцевых заготовок в металлические формы не нашли применения из-за низкой стойкости формы, обычно не превышающей 10 плавок. Поэтому повышение стойкости металлических форм является весьма актуальной задачей, но на сегодняшний день трудно выполнимой по причине отсутствия способов и материалов, надежно защищающих рабочую поверхность литейных форм от взаимодействия титана с материалом покрытия.

Известны различные виды композиций покрытий, наносимые на рабочую поверхность литейных форм «Титановые сплавы. Производство фасонных отливок из титановых сплавов». Бибиков Е.Л. и др. Металлургия. 1983 г., стр.144. Все без исключения известные композиции не позволяют получать отливки без альфированного слоя на поверхности титановых сплавов, так как термическая стойкость самого низшего из окислов титана, а именно TiO, превосходит термическую стойкость Al2О3, ZrO2 и MgO при температуре плавления титана и последний восстанавливает указанные окислы, поглощая их кислород.

Использование в качестве покрытия ZrO2 приводит к образованию пригара на поверхности заготовок, а также к выделению газов как результат взаимодействия расплавленного металла с материалом покрытия и диффузии его в глубь металла заготовки, поражая металл отливки большим количеством дефектов газоусадочного характера.

Кроме того, нанесенные на рабочие поверхности защитные покрытия недостаточно стойкие, они растрескиваются, отслаиваются от рабочих поверхностей и захватываются потоком металла в процессе его заливки, поражая отливки большим количеством дефектов.

Наиболее близким к заявляемому способу и принятым нами за прототип является способ, изложенный в книге «Литье титана». Изд. АН УССР. Институт проблем литья. Киев. 1976 г., стр.62-64.

В известном способе на рабочую поверхность литейной формы наносят защитные покрытия из окислов магния, алюминия и циркония со связкой на основе бора, а отливку производят методом центробежного литья.

Недостатком известного способа является получения отливок с большой толщиной альфированного слоя на поверхности титановых отливок, большое количество дефектов газоусадочного характера, а также недостаточно высокая прочность сцепления материала покрытия с металлом рабочей поверхности литейной формы, что определяет низкую стойкость последней.

Техническим результатом изобретения является снижение величины альфированного слоя титановых отливок, снижение количества дефектов газоусадочного характера, а также повышение стойкости литейной формы.

Технический результат достигается за счет того, что в способе, включающем нанесение защитного покрытия на рабочую поверхность металлического кокиля, заливку в кокиль жидкого металла и центробежную отливку заготовки, согласно изобретению перед нанесением защитного покрытия рабочую поверхность кокиля подвергают пескоструйной обработке абразивным материалом с размером частиц 630-800 мкм, например электрокорундовым песком, нагревают ее до температуры 250-350°С и затем наносят на нее оксикарбонитрид титана толщиной 0,1-0,4 мм, а плавку, заливку титана в металлический кокиль с толщиной стенки 0,5-2,0 от толщины стенки отливки и изготовление отливки производят в вакууме с остаточным давлением 10-2-10-4 мм рт. ст.

Пескоструйная обработка абразивным песком, например песком электрокорунда с величиной частиц 630-800 мкм, необходима для подготовки поверхности, обеспечивающей повышение адгезии защитного покрытия в металл кокиля. Электрокорунд выбран из условий его высокой твердости, составляющей по шкале Мооса порядка 9 единиц. Частицы плавленого электрокорунда характеризуются остроугольной формой с большим количеством острых граней и отличаются высокой абразивной способностью.

Величина частиц 630-800 мкм выбрана из условий обеспечения оптимальной адгезии защитного покрытия в металл кокиля.

Так, при обработке поверхности кокиля электрокорундовым песком менее 630 мкм образующиеся впадины на рабочей поверхности имеют недостаточную глубину, что не позволяет обеспечить надежное сцепление защитного покрытия с металлом кокиля.

При обработке рабочей поверхности частицами электрокорунда более 800 мкм наблюдается резкое уменьшение участков с анкерным закреплением защитного покрытия с поверхностью кокиля, уменьшая прочность его сцепления.

Нагрев рабочей поверхности кокиля до температуры 250-350°С необходим для качественного сцепления защитного слоя с рабочей поверхностью кокиля.

Нагрев до температуры ниже 250°С не обеспечивает анкерного крепление защитного слоя с рабочей поверхностью, так как энергии частиц недостаточно для создания развитой поверхности, обеспечивающей надежное сцепление защитного слоя с металлом кокиля.

Нагрев выше температуры 350°С может привести к растрескиванию защитного слоя и его отслаиванию от рабочей поверхности кокиля в связи с возможной ее деформацией.

Применение оксикарбонитрида титана, отличающегося высокой твердостью, жаропрочностью и жаростойкостью, в качестве защитного покрытия поверхности кокиля позволяет резко снизить интенсивность разрушающего воздействия расплавленного жидкого титана на материал кокиля.

Толщина слоя оксикарбонитрида, нанесенного в качестве защитного слоя в пределах 0,1-0,4 мм, выбрана из условия получения равномерного по плотности покрытия, обеспечивающего надежную защиту от воздействия жидкого титана на материал кокиля.

Толщина защитного слоя менее 0,1 мм недостаточна, так как быстро прогревается от температуры жидкого титана. Кроме того, защитный слой имеет до 22% пор, многие из которых являются сквозными, что резко снижает его защитные свойства.

Толщина защитного слоя выше 0,4 мм не эффективна по причине большого расхода защитного материала. Кроме того, возникающие в этих сечениях большие остаточные напряжения приводят к образованию сквозных трещин, чаще всего с отрывом защитного слоя от рабочей поверхности кокиля, обнажая ее, что снижает защитные свойства покрытия.

Правильный выбор оптимального соотношения толщины отливки и кокиля имеет большое значение для уменьшения степени воздействия теплового потока на рабочую поверхность кокиля и, как следствие, является мероприятием по значительному повышению стойкости кокильной оснастки.

Многократный нагрев кокиля, мгновенное повышение температуры в поверхностном слое, длительное воздействие высокой температуры, значительный перепад температуры по толщине стенки кокиля создают весьма неблагоприятные условия работы литейной формы-кокиля.

Экспериментально установлено, что оптимальная толщина стенки кокиля должна находиться в пределах 0,5-2,0 от толщины стенки отливки.

Выполнение кокиля с толщиной стенки менее 0,5 от толщины стенки отливки сокращает срок его службы из-за относительно высокого перегрева рабочей поверхности от контакта с жидким металлом, имеющим температуру порядка 1800°С, что создает благоприятные условия для приварки отливок к кокилю, образования вырывов и в последующем - развития сквозных трещин, резко сокращающих его стойкость.

Кокиль с толщиной стенки кокиля более 2,0 от толщины стенки отливки чаще поражается трещинами разгара, как результат накопления пластических деформаций и сдвигов в микрообъемах по причине неравномерного их разогрева по толщине, которые суммируются в объеме металла стенки кокиля, образуя большие напряжения, приводящие к микро- и макроразрушениям.

Заливку титана в кокиль производили в вакууме с остаточным давлением 10-2-10-4 мм рт. ст., т.к. титан является химически активным металлом в расплавленном состоянии, активно взаимодействующим с атмосферой воздуха. Вакуум с остаточным давлением 10-2-10-4 мм рт. ст. достаточен для защиты титана от окисления, дальнейшее повышение вакуума нецелесообразно по экономическим соображениям.

Пример конкретного выполнения.

Рабочие поверхности кокилей очистили с помощью электрокорундового порошка фракцией 630 мкм и 800 мкм, затем формы нагревали до 250°С и 350°С в нагревательной печи Н-85 и на нагретую поверхность с помощью газового инжекционного металлизатора типа МГИ-4А наносили защитный слой оксикарбонитрида титана толщиной 0,1 мм и 0,4 мм. Толщину наносимого слоя контролировали с помощью микрометра. При напылении удаление сопла металлизатора от рабочей поверхности кокиля составляло 150-200 мм.

Для получения кольцевых заготовок были изготовлены кокили из стали марки 20 ГОСТ 4543-71 двух типоразмеров:

- для толщины отливки 50 мм был изготовлен кокиль с внешним диаметром 380 мм, внутренним - 280 мм, высотой 480 мм и толщиной стенки 25 мм;

- для толщины отливки 110 мм был изготовлен кокиль с внешним диаметром 420 мм, внутренним - 200 мм, высотой 380 мм и толщиной стенки 220 мм.

После нанесения защитного слоя подготовленные кокили устанавливались в вакуумную гарнисажную печь Нева-2 на центробежную машину, создавали вакуум с остаточным давлением 10-2 и 10-4 мм рт. ст., затем в тигле плавили металл и выливали его во вращающуюся форму, при этом скорость вращения стола для всех типоразмеров кокилей составляла 380 об/мин.

Отливки подвергались визуальному контролю, а для контроля дефектов газоусадочного характера - рентгенографическому контролю. Опытные отливки разрезались на продольные и поперечные микро - и макротемплеты, по которым оценивалось качество, структура и микротвердость на приборе ПМТ-3. От каждой плавки определяли химический состав, механические свойства и величину альфированного слоя.

Данные испытаний приведены в таблице.

Как показали приведенные данные, качество кольцевых отливок, полученных предлагаемым способом, превосходит качество аналогичных отливок, полученных известным способом, а стойкость кокиля превосходит более чем на порядок стойкость кокилей, изготовленных известным способом.

Технический эффект от применения предлагаемого способа выразится в повышении коэффициента использования дорогостоящего металла за счет уменьшения альфированного слоя, в увеличении срока службы и надежности работы деталей, полученных предлагаемых способом за счет повышения качества металла заготовок, а также в снижении себестоимости отливок за счет увеличения срока службы кокилей.

Таблица.
Свойства металла отливок, полученных предлагаемым и известным способами.
СпособПараметры способаМеханические свойства отливкиСтойкость формы, кол-во плавокТолщина альфирован ного слоя, ммКол-во дефектов газоусадоч ного характера в теле отливки, шт
Размер зерна электро корунда мкмНагрев рабочей части формы, °СТолщина слоя защитного покрытия ммВеличина вакуума, мм рт. столбаОтношение толщины стенки кокиля к толщине стенки отливкиσв, МПаσ0,2 МПаδ5,%Ψ5, %
Предлагаемый6302500,110-20,5585212283500,013
8003500,410-42,0645915324000,014
Известный-----7266924161,922
Примечания:

1.Значения свойств приведены по результатам испытания трех образцов на точку.

2. Определение дефектов газового и усадочного характера производили с помощью рентгеновского контроля.

1. Способ изготовления кольцевых отливок из титана и титановых сплавов, включающий нанесение защитного покрытия на рабочую поверхность металлического кокиля, заливку в кокиль жидкого металла и центробежную отливку заготовки, отличающийся тем, что перед нанесением защитного покрытия, рабочую поверхность кокиля подвергают пескоструйной обработке абразивным материалом с размером зерна 630-800 мкм, нагревают ее до температуры 250-350°С и затем на нее наносят оксикарбонитрид титана толщиной 0,1-0,4 мм, а плавку, заливку титана в металлический кокиль с толщиной стенки 0,5-2,0 от толщины стенки отливки и изготовление отливки производят в вакууме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве абразивного материала при пескоструйной обработке используют электрокорундовый песок.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавку, заливку титана в металлический кокиль и изготовление отливки производят в вакууме при остаточном давлении 10-2-10-4 мм рт. ст.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к производству прокатных валков центробежным способом. .

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к производству литейных валков. .

Изобретение относится к литейному производству, в частности к оборудованию для восстановления изношенных внутренних цилиндрических поверхностей деталей. .

Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению литых валков. .

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения отливок повышенной плотности в условиях серийного производства. .

Изобретение относится к литейному производству, а именно к оборудованию для центробежной биметаллизации втулок. .

Изобретение относится к литейному производству и может найти применение в производстве фасонных отливок методом центробежного литья с вертикальной осью вращения, например, из титановых и жаропрочных сплавов.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в черной и цветной металлургии для получения отливок, в частности, литых мелющих тел из высоколегированного чугуна.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к оборудованию для центробежной биметаллизации втулок. .

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к производству литых валков центробежным способом

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в ювелирной промышленности

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к производству изделий, имеющих аморфную структуру поверхности

Изобретение относится к центробежному электрошлаковому литью крупногабаритных деталей трубопроводной арматуры, преимущественно тройников для соединения труб

Изобретение относится к центробежному литью

Устройство относится к литейному производству цветных металлов и может быть использовано для изготовления заготовок для прессования трубных полуфабрикатов и заготовок для цельнокатаной раскатки колец материалов и изделий из магниевых сплавов. Устройство содержит плавильную печь, герметичную камеру с инертной средой, электрообогреваемый металлопровод, выполненный в виде сифона, один конец которого размещен в плавильной печи с образованием жидкостного затвора из расплава металла, а другой размещен в герметичной камере. В камере установлен вращающийся круглый стол, на котором закреплена литейная цилиндрическая изложница с крышкой и стаканом-дозатором, расположенным соосно с металлопроводом. Вращение изложницы осуществляется при помощи стола, который прикреплен к приводному валу электродвигателя, расположенного вне герметичной камеры. Обеспечивается повышение плотности отливок вследствие уменьшения усадочных пор, раковин, неметаллических включений. 1 ил.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к центробежному литью. В неподвижную форму заливают расплав и одновременно в струю расплава подают тугоплавкие дисперсные частицы плотностью более 8000 г/см3. После заливки 50% расплава прекращают подачу частиц. Форму приводят во вращение после затвердевания донной части отливки и до полного затвердевания отливки форму останавливают. Обеспечивается получение отливок типа «стакан» с высокими механическими свойствами внешних боковых поверхностей и донной части. 1 ил., 4 пр.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению тонкостенных отливок с толщиной стенки 2,5-3,5 мм, диаметром более 1000 мм, из титановых и жаропрочных сплавов, с разноудаленными от оси кольцевыми поверхностями 8, соединенными между собой радиальными ребрами 9. Литниковая система содержит цилиндрический центральный стояк 2, в нижней части выполненный квадратной формы, горизонтальные литниковые ходы 4, размещенные по углам квадрата. Литниковые ходы 4 отклонены под углом 30°С в сторону вращения и снабжены секторальными литниковыми ходами 5, расположенными по концентрическим окружностям, которые соединены с вертикальными питателями 6. Обеспечивается повышение качества тонкостенных за счет спокойного течения потока расплава по окружности при входе в тонкостенную часть формы, без завихрения и заворотов. Литниковая система имеет высокую пропускную способность и компактные размеры. 3 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству с использованием центробежной силы

Наверх