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.
Способ	Параметры способа	Механические свойства отливки	Стойкость формы, кол-во плавок	Толщина альфирован ного слоя, мм	Кол-во дефектов газоусадоч ного характера в теле отливки, шт
Размер зерна электро корунда мкм	Нагрев рабочей части формы, °С	Толщина слоя защитного покрытия мм	Величина вакуума, мм рт. столба	Отношение толщины стенки кокиля к толщине стенки отливки	σв, МПа	σ0,2 МПа	δ5,%	Ψ5, %
Предлагаемый	630	250	0,1	10-2	0,5	58	52	12	28	350	0,01	3
800	350	0,4	10-4	2,0	64	59	15	32	400	0,01	4
Известный	-	-	-	-	-	72	66	9	24	16	1,9	22
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.