Способ изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом
Владельцы патента RU 2440214:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (ОАО НПО "ЦНИИТМАШ") (RU)
Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению корпусов контейнеров для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных отходов. Способ включает выплавку чугуна в двух печах, сфероидизирующую обработку жидкого чугуна в разливочном ковше. Чугун переливают в заливочную чашу, вмещающую весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун. Литейная форма состоит из внешнего бокового кокиля, верхней и нижней полуформ и центрального охлаждаемого стержня. В заливочной чаше осуществляют модифицирование чугуна смесью микрокристаллических лигатур, составляющей 0,21-0,6%. Модифицирующая смесь состоит из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ, взятых в соотношении 1:1:(0,5…1,0). Заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели заливочной чаши после гомогенизирующей выдержки в ней в течение 1…5 минут. Достигается устранение дефектов структуры литья, измельчение структурных составляющих и повышении изотропности свойств металла по сечению отливки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления крупнотоннажных и толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом, преимущественно корпусов контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных отходов.
Известен способ (или применение специальной литейной формы) для отливки толстостенных корпусов контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных отходов из чугуна с шаровидным графитом, включающий сфероидизирующую обработку исходного расплава, модифицирование и заливку чугуна в песчаную охлаждаемую литейную форму, в которой охлаждающие трубы расположены в стенке формы и центрального стержня на расстоянии от охлаждаемой поверхности не более 100 мм (см. патент ФРГ DE 3120221 С3, МКИ B22D 15/00). За счет охлаждения формовочной смеси стенок формы и центрального стержня прежде всего исключают разрушение формы в процессе заливки от высокого давления жидкого металла. За счет охлаждения стенок формы в процессе кристаллизации чугуна сокращают до 80% время затвердевания, что способствует формированию более равномерной структуры металла отливки.
Недостатком известного способа является получение в толстостенной отливке значительной доли включений шаровидного графита неправильной и компактной формы и выделение относительно небольшого числа графитных включений, так как из-за длительной процедуры заливки в форму больших масс жидкого чугуна за большой период времени, проходящий от момента модифицирования в ковше до начала кристаллизации металла, существенно снижается сфероидизирующий эффект магния и уменьшается количество эффективных центров кристаллизации графита, обусловленное затуханием эффекта графитизирующего модифицирования.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ изготовления толстостенных корпусов контейнеров из чугуна с шаровидным графитом (см. патент ФРГ DE 3324 С2, МКИ B22D 15/00), включающий выплавку исходного расплава, сфероидизирующую обработку магнием, модифицирование в литниковой чаше путем растворения в расплаве зернистого модификатора и заливку жидкого чугуна в литейную форму, состоящую из внешнего бокового кокиля, верхней (перекрывающей) и нижней (опорной) полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу.
Недостатками этого способа являются:
- получение в толстостенной отливке значительной доли включений графита неправильной шаровидной и компактной формы из-за существенного снижения сфероидизирующего эффекта магния за большой период времени, проходящий от момента сфероидизирующей обработки в ковше до начала кристаллизации металла в форме;
- повышенное количество неметаллических включений в металле, являющихся продуктами взаимодействия модификатора с компонентами чугуна и поступающих вместе с металлом непосредственно в литейную форму.
Предложенный способ отличается тем, что что модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур в количестве 0,21…0,6%, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5…1,0), при этом используют литейную форму с охлаждаемым центральным стержнем и с заливочной чашей, снабженной питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающей весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 1…5 минут.
В качестве микрокристаллических лигатур используют преимущественно сплавы Si-Mg с содержанием 5…9% Mg, Si-Ba с содержанием 22…30% Ba и Si-РЗМ с содержанием 25…35% РЗМ.
Заливочную чашу перегораживают пластинами, выполненными из растворяемого в жидком чугуне материала, например, из стального листа, и образующими полости, в которые засыпают модифицирующую смесь.
Технический эффект заключается в устранении дефектов структуры литья, измельчении структурных составляющих, получении преимущественно ферритной металлической основы высокопрочного чугуна в литом состоянии и повышении изотропности свойств металла по сечению отливки.
Предложенная комбинация технологии модифицирования, соотношения компонентов модифицирующей смеси и техники литья обеспечивает усиление сфероидизирующего и графитизирующего эффекта, регулируемое по интенсивности охлаждение внутренней полости отливки и выравнивание теплоотвода от ее внутренней и внешней поверхностей в период затвердевания. В конечном результате повышается изотропность структуры и свойств металла по сечению литой толстостенной заготовки.
Модифицирующая смесь в количестве 0,21…0,6% от массы заливаемого жидкого чугуна обеспечивает эффективное воздействие на жидкое состояние чугуна. При этом каждый инградиент этой смеси выполняет свою роль. Сплав Si-Mg усиливает сфероидизирующий эффект, Si-Ba обеспечивает более длительный графитизирующий эффект и снятие отбела, а Si-РЗМ нейтрализует вредное влияние примесных элементов (Ti, Pb, Sn и др.) на формирование шаровидной формы графита за счет связывания их в устойчивые интерметаллические соединения. Присадка модифицирующей смеси в количестве менее 0,21% не обеспечивает эффективного влияния на расплав чугуна, а величина присадки более 0,6% нецелесообразна из экономических соображений.
Гомогенизирующая выдержка расплава в заливочной чаше в течение 1…5 минут способствует полному растворению и взаимодействию присадки с компонентами жидкого чугуна и всплытию на поверхность неметаллических включений. Выдержка менее 1 минуты не обеспечивает вышеуказанного эффекта, а более длительная выдержка приводит к недопустимому снижению температуры расплава.
Размещение модифицирующей смеси в полости, образованной перегораживающими пластинами из растворимого в чугуне материала вблизи места падения струи заливаемого из разливочного ковша металла в сравнении с методом подачи присадки на струю способствует более равномерному и полному послойному растворению смеси по мере протекания жидкого чугуна над смесью, а полное разрушение перегородки к концу процесса заполнения жидким чугуном заливочной чаши обеспечивает и полное опустошение чаши при сливе металла в литейную форму.
На чертеже представлена схема используемой в заявленном способе литейной формы.
Форма содержит нижнюю полуформу 1, установленную на металлическом опорном поддоне, боковой кокиль 2, охлаждаемый центральный стержень 3 из высокотеплопроводной формовочной смеси с внутренней полостью для подачи хладоагента и удаления образующихся газов и верхнюю полуформу 4 с элементами литниково-питающей системы 5, образующие полость для отливки, а также установленную на верхней полуформе заливочную чашу 6 с литниковыми каналами, перекрываемыми стопорными устройствами 7, и полость, образованную перегораживающей пластиной 8 из растворяемого в жидком чугуне материала для размещения модифицирующей смеси 9.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
Выплавленный жидкий обработанный магнием перегретый чугун в необходимом количестве из разливочного ковша переливается в заливочную чашу 6 собранной и подготовленной к заливке литейной формы (см. чертеж). По мере поступления жидкий чугун протекает над модифицирующей смесью, послойно растворяя ее и взаимодействуя с ней. К концу процесса заполнения заливочной чаши жидким чугуном перегораживающая пластина полностью растворяется. Далее производится выдержка жидкого чугуна в заливочной чаше, при которой наиболее полно протекают все реакции взаимодействия модифицирующей присадки с компонентами жидкого чугуна, происходит гомогенизация расплава во всем объеме и всплытие в шлак продуктов реакции. После достижения заданной температуры заливки стопорные устройства 7 одновременно поднимаются и жидкий чугун через литниковые каналы сверху заполняет полость формы. При таком способе заливки обеспечивается последующая направленная кристаллизация отливки снизу вверх за счет поступления последних горячих порций металла непосредственно в прибыли и эффективное питание кристаллизующегося металла, исключающее образование усадочных дефектов. Одновременно включают систему подачи хладоагента в охлаждающую полость центрального стержня 3, который забирает избыточное тепло и выравнивает теплоотдачу между внутренними и наружными частями отливки. За счет ускоренного теплоотвода через боковой холодильник, быстро поглощающий выделяемое залитым металлом тепло, а также за счет интенсивного отвода тепла через центральный стержень происходит ускоренное и равномерное по сечению стенки затвердевание отливки.
После охлаждения отливки до заданной температуры подачу хладоагента прекращают, форму разбирают, извлекают отливку и направляют на проведение финишных операций.
Предлагаемый способ использовали для изготовления отливки полномасштабной модели корпуса контейнера из чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ40 для транспортного упаковочного комплекта.
Корпус контейнера имел следующие размеры, мм:
| наружный диаметр | 1450 |
| внутренний диаметр | 740 |
| высота (длина) | 4480 |
| толщина стенки | 355 |
Масса отливки 40 тонн, масса требуемого жидкого чугуна для отливки ≈50 тонн.
Плавку чугуна для изготовления опытной отливки проводили одновременно в двух печах ИЧТ 25, емкостью 25 т. В качестве шихтовых материалов применяли передельный чугун следующего состава, мас.%: C - 4,39; Si - 1.14; Mn - 0,022; S - 0,01; P - 0,045; Cr - 0,01; возврат производства высокопрочного чугуна марки ВЧ40 и стальной лом марки 1А.
Сфероидизирующую обработку проводили в разливочном ковше емкостью 50 т при сливе в него исходного жидкого чугуна поочередно из 2-х печей. В качестве сфероидизирующего модификатора для получения шаровидной формы графита использовали Ni-Mg лигатуру (16% Mg) фракции 15-50 мм в количестве 0,9%. Лигатуру загружали на дно ковша перед выпуском в него из печи жидкого чугуна.
После сфероидизирующей обработки в ковше и удаления образовавшегося шлака жидкий чугун переливали в заливочную чашу подготовленной литейной формы. Заливочную чашу вблизи падения из ковша струи металла перегораживали стальной пластинной и в образующуюся полость засыпали модифицирующую смесь из микрокристаллических лигатур фракций 1…3 мм в количестве ~0,4%, состоящую из 5%-ной Si-Mg лигатуры (0,15%), лигатуры SiBaR22 (0,15%) и лигатуры ФС30РЗМ30 (0,1%) в соотношении 1:1:0,7. Процесс модифицирования проходил спокойно, без пирроэфекта и дымовыделения и заканчивался практически к моменту полного опорожнения разливочного ковша. После гомогенизирующей выдержки в течение 3 минут и достижения температуры расплава в заливочной чаше ~1300°C производили заливку формы через прибыльные полости путем одновременного поднятия 3-х стопоров. Общая продолжительность процесса от момента слива металла из печи в разливочный ковш до заливки в литейную форму составила ~29 мин.
Содержание магния в чугуне на разных этапах отбора проб составило, мас.%:
- в разливочном ковше после сфероидизирующей обработки - 0,08;
- в заливочной чаше перед заливкой чугуна в форму - 0,07;
- в приливной пробе - 0,06;
- в теле отливки 0,045…0,052.
Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в стенке отливки имеют следующие значения:
- временное сопротивление разрыву при растяжении (Rm) - 320…350 МПа,
- относительное удлинение (A5) - 13…18%.
1. Способ изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом, включающий выплавку исходного расплава, сфероидизирующую обработку магнием, модифицирование в литниковой чаше путем растворения в расплаве зернистого модификатора и заливку жидкого чугуна в литейную форму, состоящую из внешнего бокового кокиля, верхней перекрывающей и нижней опорной полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу, отличающийся тем, что модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур в количестве 0,21…0,6%, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5…1,0), при этом используют литейную форму с охлаждаемым центральным стержнем и с заливочной чашей, снабженной питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающей весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 1…5 мин.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплавы Si-Мg с содержанием 5…9% Mg, Si-Ba с содержанием 22…30% Ba и Si-РЗМ с содержанием 25…35% РЗМ.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что заливочную чашу перегораживают пластинами, выполненными из растворяемого в жидком чугуне материала, например из стального листа, и образующими полости, в которые засыпают модифицирующую смесь.
