Модифицирующий порошкообразный материал, применяемый для сухого напыления при центробежном литье чугунных труб в сочетании с материалом для влажного напыления

Изобретение относится к области литейного производства. Материал содержит модифицирующий металлический сплав или смесь сплавов, порошки раскисляющих элементов или сплавов, препятствующих возникновению точечной пористости, инертный минеральный наполнитель и добавку. Добавка обеспечивает сцепление слоя влажного напыления, первоначально нанесенного на кокиль, с чугунной трубой в процессе ее извлечения из кокиля. Добавка представляет собой смесь одного или нескольких карбонатов щелочного металла и/или одного или нескольких силикатов щелочного металла. Массовая доля добавки в материале составляет в пределах от 3 до 25%. Достигается упрощение процесса извлечения трубы из кокиля, снижение пористости полученных отливок. 7 з.п. ф-лы.

 

Область техники

Изобретение относится к порошкообразному материалу для сухого напыления в сочетании с материалом для нанесения нижнего слоя влажного напыления, предназначенному для защиты форм, используемых в центробежном литье чугунных труб. Указанные литейные формы обычно называют «кокилями».

Уровень техники

В нижеследующем тексте, если нет иных указаний, все значения, относящиеся к химическим соединениям, выражены в массовых процентах.

Покрытия, используемые для защиты кокилей центробежного литья чугунных труб, могут состоять из модификаторов и порошкообразных огнеупорных материалов, а также из смесей кремнезема и бентонита, наносимых посредством напыления водной суспензии. Подобные покрытия, раскрытые, например, в патенте US 4058153 заявителя «Pont-A-Mousson», известны как покрытия, полученные влажным напылением.

Широко известно также применение порошков, напыляемых сухим способом на кокиль перед литьем чугуна, и в этом случае такие порошки называют «сухое напыление».

В случае труб с диаметром, обычно превышающим 400 мм, принято прибегать к сочетанию двух видов материала, а именно:

- первого слоя влажного напыления, состоящего из смеси кремнезема и бентонита, который быстро высыхает после его нанесения на горячий кокиль;

- второго слоя сухого напыления, наносимого поверх первого слоя перед заливкой чугуна.

Независимо от того, какая технология используется для их нанесения, эти материалы можно использовать для нескольких целей, и, в частности, для получения следующих результатов:

- воздействия на съем формы, то есть для упрощения извлечения трубы из формы после затвердевания;

- создания теплового барьера, ограничивающего повышение температуры кокиля и способствующего, таким образом, увеличению срока его службы;

- препятствия возникновению точечной пористости, то есть для снижения риска образования точечной пористости на поверхности труб;

- предельного модифицирующего воздействия на литейный чугун с целью регулирования металлургической структуры трубы.

Хорошо известно, что следствием недостаточного модифицирования является образование карбидов в чугуне, значительная усадка при охлаждении и быстрое извлечение из формы, являющееся залогом высокой производительности. Однако полученные таким способом детали требуют последующей термообработки, которая может оказаться слишком дорогостоящей.

В зависимости от конкретной ситуации, можно выбрать путь дополнительного модифицирования для устранения необходимости в окончательной термообработке, даже если это приведет к снижению производительности, или же, напротив, провести менее интенсивное модифицирование, повысить производительность и подвергнуть термообработке чугунную деталь на последующей стадии.

Таким образом, модифицирующую способность материала можно отрегулировать в довольно широких пределах, тогда как остальным заданным результатам предъявляются более жесткие требования.

В конкретном случае нанесения материалов для сухого напыления на первый слой влажного напыления эти материалы должны, кроме всего прочего, позволять слою влажного напыления оставаться сцепленным с трубой в процессе ее извлечения из формы, чтобы предотвратить его скопление в кокиле с образованием дроссов, поскольку существует опасность их попадания в чугун в ходе литья с образованием при этом дефектов из-за включений в трубе или поверхностных дефектов на трубе.

Материалы для сухого напыления, как правило, состоят из смеси нескольких компонентов, включая:

- модификатор с относительно высокой эффективностью, доля которого может составлять от 30 до 100% материала; для этого можно использовать, например, железокремниевые сплавы, содержащие 0,1-4% алюминия и 0,1-4% кальция, а также, опционально, иные компоненты, способные оказывать какое-либо дополнительное металлургическое воздействие на чугун;

- порошки элементов или сплавов, оказывающие особое воздействие, направленное против возникновения точечной пористости; это могут быть, как правило, элементы или сплавы раскисляющих элементов 2-го столбца периодической системы Менделеева, например промышленные кремниево-кальциевые сплавы с высоким содержанием кальция, и, в частности, сплав, известный под названием «CaSi», содержащий примерно 30% Са;

- инертный минеральный наполнитель, например, кремнезем, доля которого может составлять до 70% материала.

В данном случае в материалах для сухого напыления, наносимых на первый слой влажного напыления, такие смеси не позволяют достичь одной из заданных целей, а именно обеспечить сцепление слоя влажного напыления с трубой при ее извлечении из формы.

Для этой цели в общепринятой практике в качестве материала для сухого напыления используют порошок, обычно состоящий из сплава «CaSi», как было упомянуто выше.

Однако, хотя подобные порошки и обеспечивают сцепление с трубой, на практике их нельзя считать полностью пригодными в отношении достижения остальных вышеуказанных целей, включая в частности модифицирующее воздействие, а в более общем смысле - воздействия, связанные с регулированием металлографической структуры чугунной трубы.

Предмет изобретения

Предметом заявленного изобретения является порошкообразный материал для защиты форм или кокилей, применяемых при центробежном литье чугунных труб в ходе процесса, содержащего следующие шаги:

- на внутренней поверхности кокиля формируют первый слой, называемый слоем влажного напыления, посредством напыления водной суспензии смеси кремнезема и бентонита на указанную внутреннюю поверхность горячего кокиля;

- на указанном первом слое выполняют сухое напыление указанного порошкообразного материала, содержащего модифицирующий металлический сплав или смесь модифицирующих металлических сплавов, опционально - порошки раскисляющих элементов или сплавов, препятствующие возникновению точечной пористости, и, опционально, - инертный минеральный наполнитель;

- отливают чугунную трубу центробежным способом;

- извлекают чугунную трубу из формы;

причем указанный материал отличается тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере одну добавку, обеспечивающую сцепление слоя влажного напыления, первоначально нанесенного на кокиль, с чугунной трубой в процессе ее извлечения из формы.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, в качестве добавки использован карбонат щелочного металла, а в соответствии с другим вариантом - силикат щелочного металла.

Добавка может также представлять собой смесь в любых пропорциях одного или нескольких карбонатов щелочного металла и/или одного или нескольких силикатов щелочного металла.

Предпочтительно, силикат щелочного металла является силикатом натрия, в котором отношение массового содержания компонента SiO₂ к массовому содержанию Na₂O лежит в пределах от 1 до 3.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, добавка представляет собой безводный метасиликат натрия.

Наконец, в соответствии с одним из предпочтительных вариантов, массовая доля добавки в указанном материале лежит в пределах от 3 до 25%.

Раскрытие изобретения

Известные из уровня техники порошкообразные материалы, которые используют в качестве материалов для сухого напыления для защиты форм центробежного литья чугунных труб и напыляют сухими на первый слой влажного напыления, полученный предварительно посредством напыления водной суспензии смеси кремнезема и бентонита на горячий кокиль, имеют ряд недостатков. В частности, если они состоят, как материалы для сухого напыления, напыляемые сухими непосредственно на кокиль, из нескольких компонентов, и, в частности, содержат:

- модификатор, обычно составляющий от 30 до 100% материала и обычно получаемый на основе железокремниевых сплавов, содержащих 0,1-4% алюминия и кальция, опционально - в сочетании с иными компонентами, способными оказать на чугун какое-либо дополнительное металлургическое воздействие,

- порошки раскисляющих элементов или сплавов раскисляющих элементов, препятствующие возникновению точечной пористости, например кремниевые сплавы с высоким содержанием кальция, в частности такие как сплав «CaSi», содержащий примерно 30% Са,

- инертный минеральный наполнитель, например, кремнезем, доля которого может составлять до 70% материала,

то они не позволяют слою влажного напыления оставаться сцепленным с трубой при ее извлечении из формы, что ведет к возрастанию риска оседания на кокиле дроссов и образованию в чугуне включений, причем эти дроссы, помимо образования включений, могут стать причиной возникновения поверхностных дефектов на трубах.

Тот же риск существует и при чрезмерно большом количестве инертного минерального наполнителя.

Одно из решений заключается в увеличении, обычно, даже до 100%, содержания сплава «CaSi» в материале для сухого напыления.

При этом, однако, хотя усиление сцепления слоя влажного напыления с трубой в процессе ее извлечения из формы существенно улучшается, результативность остальных воздействий снижается.

Дело в том, что, хотя сплав «CaSi» сам по себе обладает некоторым модифицирующим действием, он не способен самостоятельно обеспечить регулирование металлографической структуры чугуна, из которого сделана труба, так же эффективно, как раскрытые выше смеси. Увеличение его количества с целью усиления его воздействия приводит к тому же самому недостатку, который был указан выше, а именно - к образованию дроссов в кокилях, а более конкретно - на тех участках их рабочих полостей, которые соответствуют раструбам труб. Следствием этого явления будет возникновение дефектов, связанных с включениями в трубе, или поверхностных дефектов, что приводит обычно к ее отбраковке.

Для устранения указанных недостатков заявителем предложен порошкообразный материал для сухого напыления с комплексным воздействием, то есть одновременно обеспечивающий сцепление слоя влажного напыления с трубой при ее извлечении из формы, а также для получения других результатов - препятствия возникновению точечной пористости, модифицирующего воздействия и регулирования металлографической структуры чугуна.

Этот результат получен благодаря материалу для сухого напыления, состоящему:

во-первых, на 75-97% из обычно применяемого для сухого напыления, содержащего смесь нескольких компонентов, в том числе:

- один или несколько модификаторов с составами, пропорциями и размерами частиц, обычными для материалов для сухого напыления, упомянутых выше,

- опционально, один или более порошок из элементов или сплавов, обеспечивающих добавление раскисляющих элементов, в частности препятствующих возникновению точечной пористости, например, Mg, Zn, Al, Са и т.п.; и

- опционально, инертный минеральный наполнитель, например, кремнезем, но содержащий незначительное количество сплава или вообще не содержащий сплав типа «CaSi», а также

во-вторых, на 3-25% из добавки, специально предназначенной для обеспечения сцепления слоя влажного напыления с трубой в процессе ее извлечения из формы.

Эта добавка, предпочтительно, представляет собой карбонат или силикат щелочного металла, в частности, натрия, в котором отношение массового содержания компонента SiO₂ к массовому содержанию компонента Na₂O лежит в пределах от 1 до 3, или смесь в любых пропорциях одной или нескольких таких добавок, а именно карбонатов и/или силикатов щелочного металла, или же, наконец, безводный метасиликат натрия, причем во всех случаях с размером частиц менее 350 мкм. Размер частиц порошкообразного материала согласно изобретению составляет менее 580 мкм, предпочтительно, - менее 250 мкм.

Примеры

Эффективность сцепления слоя влажного напыления можно охарактеризовать через процентную долю наружной поверхности трубы, на которой этого слоя не осталось.

Во всех приведенных ниже примерах сначала на горячий кокиль наносили материал для влажного напыления, содержащий после высыхания 95% кремнезема (в форме диатомита) и 1% СаО, а также 3% глинозема, вводимых с бентонитом.

Затем на указанный материал для влажного напыления, после его высыхания только за счет тепла кокиля, напыляли материал для сухого напыления с использованием технологий, традиционных для нанесения подобных материалов.

Пример 1

В качестве контрольного образца использовали материал для сухого напыления, состоящий целиком из сплава «CaSi», содержащего 61,1% Si, 30,4% Са и 1,21% Al, с размером частиц, характеризующимся проходом через сито 63 мкм в количестве 25% и проходом через сито 200 мкм в количестве 98%.

Этот материал демонстрирует вполне удовлетворительные результаты: на трубах практически отсутствует точечная пористость; точечные отверстия, имеющиеся в небольшом количестве, неглубоки, что позволяет соответствовать техническим условиям; содержание карбидов составляет 8%, при этом измеренная толщина ферритного чугуна на наружной поверхности трубы равна 35 мкм. При извлечении трубы из формы было установлено, что материал для влажного напыления не остался сцепленным с трубой на 2% ее поверхности. Дроссы были сосредоточены в раструбе, образуя полосу толщиной 15 мм.

Пример 2

Была приготовлена смесь из следующих компонентов:

- 93% ферросилиция, содержащего 65,5% Si, 1,3% Са и 0,95% Al, с размером частиц менее 200 мкм,

- 3% порошкообразного металлического Mg с размером частиц от 200 до 400 мкм,

- 4% флюорита с размером частиц менее 150 мкм.

Как показал гранулометрический анализ, проход через сито 63 мкм составил 28%, а проход через сито 200 мкм - 97%.

При использовании в тех же условиях, что и в Примере 1, данный материал показал следующие результаты: на трубах практически отсутствует точечная пористость; точечные отверстия, имеющиеся в небольшом количестве, неглубоки, что позволяет соответствовать техническим условиям; содержание карбидов составляет 10%, при этом измеренная толщина ферритного чугуна на наружной поверхности трубы равна 30 мкм. Эти результаты следует признать удовлетворительными. Толщина полосы дроссов в раструбе равна здесь всего 5 мм, однако, с другой стороны, процентная доля поверхности трубы, оставшаяся без материала влажного напыления, возросла до 60%. Совершенно очевидно, таким образом, что материал для сухого напыления традиционного типа (Пример 2) обладает металлургическим воздействием, очень сходным с воздействием материала для сухого напыления, состоящего только из «CaSi», но при этом он намного меньше подвержен образованию дроссов, однако, с другой стороны, намного менее эффективен в отношения сцепления материала для влажного напыления с трубой.

Пример 3

Была приготовлена смесь из следующих компонентов:

77% ферросилиция, содержащего 65,5% Si, 1,3% Са и 0,95% Al, с размером частиц менее 200 мкм,

3% порошкообразного металлического Mg с размером частиц от 200 до 300 мкм,

20% безводного метасиликата натрия с размером частиц менее 350 мкм.

Как показал гранулометрический анализ, проход через сито 63 мкм составил 24%, а проход через сито 200 мкм - 95%.

При использовании в тех же условиях, что и в Примере 1, данный материал показал удовлетворительные результаты по всем параметрам: на трубах практически отсутствует точечная пористость; точечные отверстия, имеющиеся в небольшом количестве, неглубоки, что позволяет уложиться в требования технического задания; содержание карбидов составляет 10%, при этом измеренная толщина ферритного чугуна на наружной поверхности трубы равна 35 мкм. Толщина полосы дроссов в раструбе равна 7 мм. Процентная доля поверхности трубы без слоя влажного напыления равна здесь всего 3%.

Таким образом, можно констатировать наличие металлургического эффекта, сходного с эффектом от применения традиционного материала для сухого напыления (Пример 2), но при этом наблюдаются исключительно высокая эффективность сцепления материала влажного напыления с трубой и очень незначительная склонность к образованию дроссов (намного меньшая, чем в случае с сухим напылением, содержащим только «CaSi», и практически такая же, как для традиционного материала для сухого напыления, при разовых испытаниях, но с заметно меньшим риском при непрерывной эксплуатации, благодаря заметно лучшему сцеплению материала влажного напыления с трубой).

1. Модифицирующий порошкообразный материал, применяемый при центробежном литье чугунных труб, содержащий модифицирующий металлический сплав или смесь модифицирующих металлических сплавов, порошки раскисляющих элементов или сплавов, препятствующие возникновению точечной пористости, и инертный минеральный наполнитель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере одну добавку, обеспечивающую сцепление слоя влажного напыления, первоначально нанесенного на кокиль, с чугунной трубой в процессе ее извлечения из формы, при этом добавка представляет собой смесь одного или нескольких карбонатов щелочного металла и/или одного или нескольких силикатов щелочного металла, а массовая доля добавки в указанном материале лежит в пределах от 3 до 25%.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве добавки содержит карбонат щелочного металла.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве добавки содержит силикат щелочного металла.

4. Материал по п.3, отличающийся тем, что силикат щелочного металла является силикатом натрия, в котором отношение массового содержания компонента SiO₂ к массовому содержанию компонента Na₂O лежит в пределах от 1 до 3.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что массовая доля добавки в указанном материале лежит в пределах от 3 до 20%.

6. Материал по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что добавка представляет собой безводный метасиликат натрия.

7. Материал по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что размер его частиц составляет менее 580 мкм.

8. Материал по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что размер его частиц составляет 250 мкм.