Способ обработки литейных форм для получения литья из химически активных металлов

 

(6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 23.04. 80(21) 2914047/22-02 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет (5l)M. Кл.

8 22 С 9/18

В 22 С g/00

1Ъаударстпанвьй квмитет ав делам взо5уетекнк к открытий

Опубликовано 28. 02. 82. Бюллетень Ю 8

Дата опубликования описания 02.03.82 (53) УЙК621 ° 744 °.527.7:621.74.045(088.8) Б. A. Кулаков, В.М. Александров, Ю. П. Васин, E.Ô. Аверьяйов;В.А. Корнеев, В,П. Ломов и P.3. Иакиров (72) Авторы изобретения

Челябинский политехнический институт им. Ленйнского комсомола (71) Заявитель (g4) СПОСОБ. ОБРАБОТКИ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ЛИТЬЯ ИЗ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способам обработки керамических литейных Форм по постоянным или удаляемым моделям с об-. разованием защитного покрытия, предотвращающего взаимодействие тугоплавких химически активных металлов, например сплавов титана, с латериалом формы.

При литье титана и его сплавов -a I0 керамические формы достигается повышенная размерная точность отливок по сравнению с углеродной формой, а также более высокая производительность процесса формообразования. Однако pact5 плав при заливке, кристаллизации и охлаждении взаимодействует с материалом формы и на поверхности отливки образуется загрязненный оксидами металла слой с видоизмененной структурой, так называемый альфированный слой повыщенной твердости, склонной к образованию трещин, что резко снижает эксплуатационные свойства изделий и существенно затрудняет их механическую обработку (1 j.

Известен способ обработки керамических форм, включающий нанесение на ее поверхность нагретую до 300 С> с покрытие из оксидов металлов.с помощью газовых или пламенных горелок P2).

Однако такой способ невозможно применить для форм, изготовленных по удаляе льпл моделям (выплавляемым и выжигаемым) . Кроме того, оксидное покрытие является кислородосодержащим и поэтому само может окислять заливаемый металл.

Наиболее близким к предлагаемому а по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки литейных форм, включающий пропитку.фор л водными растворами хлоридов металлов цинка, магния, калия, натрия (3).

Однако реализация данного способа позволяет только несколько снизить толщину поверхностного загрязненного

3 9084 слоя с видоизмененной структурой, а в ряде случаев загрязнение отливок даже увеличивается. Это объясняется следующими причинами.

1. Применение солей галогенов,которые подвергаются гидролизу, т,е. взаимодействию с водой, в водных растворах, например, Znc12, KJ, t

1Сг(ОН) и др.), которые в реэультате1 заливки при повышенных температурах переходя в оксиды и выделяя воду, интенсивно окисляют заливаемый металл, в частности титан. При этом глубина zo загрязненного альфированного слоя на поверхности титановых отливок возрастает.

2. Применение солей галогенов с низкими температурами кипения (KJ, 25

ZnC12, HgC1, > -ItCl, ВеС!р и др.), составляющими не более 0,8 от темпео ратуры заливки металла (1740-1780 C), приводит к тому, что при заливке формы солевое покрытие полностью воз- ЗО гоняется, поверхность керамической формы оголяется и загрязнение поверхностного слоя отливки происходит уже за счет непосредственного -взаимодействия металла с оксидами керамической формы. Образующиеся газы от возгонки соли могут образовывать в отливке газовые ракови ны.

3. Отсутствие оптимальной концентрации раствора и оптимального режима уо тепповой ооработки не позволяет получать на поверхности формы качественное достаточной толщины без нарушения сплошности солевое покрытие.

Помещение форм, пропитанных раство. ром соли, сразу в зону температур

250-300 С приводит к нарушению сплошности покрытия из-за бурного кипения растворителя (воды).

При недостаточной концентрации соли в растворе вообце нельзя получить равномерное и сплошное покрытие на поверхности формы, 4. Наличие четырехкратной пропитки форм,в солевом растворе приводит к полному заполнению пор формы солевым раствором и делает ее практически гаэонепроницаемой, что существенно ухудшает условия формирования отливки, так как пары соли остаются в рабочем объеме формы и приводят к поражению отливок газовой пористостью (раковинами) .

Цель изобретения - предотвращение взаимодействия формы с заливаемым металлом и улучшение качества за счет предотвращения образования альфированного слоя на поверхности отливок, повышение их качества и обрабатываемости отливок.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки литейных форм, включающем пропит ку их водными растворами хлоридов с последующим их нагревом, форму пропитывают 24-36 :— ным водным раствором хлорида кальция или бария, или натрия, или калия, а при нагреве осуществляют изотермичесо кую выдержку при 85-100 С до полного удаления химически несвязанной воды, затем проводят изотермическую выдержку при температуре 250-400 С до полного удаления кристаллогидратной воды из упомянутых хлоридов, причем скорость нагрева форм от первой изотермической выдержки до второй составляет 3-9 С/мин. о

С целью получения качественных оТ ливок с толщиной стенок 10-15 мм используют 24l-ный водный раствор хлорида натрия или калия, или кальция, а вторую изотермическую выдержку проводят при 350-400 С.

С целью получения качественных отли. вок с толщиной стенок 30-50 мм используют 30>."-ный водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 95 и 320 С.

С целью получения качественных отливок с толщино" стенок более 60100 мм используют 363-ный водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 100 и 400 С.

С целью получения качественных отливок с толщино" стенок 15-25 мм используют 243-ный водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 85 и 250 С, Из хлоридов щелочно-земельных металлов используют только хлориды бария и кальция, а из хлоридов щелоч ных металлов - хлориды натрия и калия. Галогены (хлориды, бромиды, иодиды) всех остальных элементов периодической системы использовать нельзя, так как они или в водных растворах

908482 подвергаются гидролиэу, или имеют температуры кипения менее 0,8 температуры заливаемого титана, или как, например, Фториды, взаимодействуют с металлом. 5

Хлориды бария, кальция, натрия и калия не подвергаются гидролизу, т.е. образуют на поверхности формы чисто солевое покрытие, имеют температуры кипения, составляющие 0,8-1,1 от тем- О пературы заливаемого металла, что практически исключает возгонку покрытия при заливке металла.

При соблюдении всех параметров предлагаемого способа обработки на поверхности формы образуется покрытие из хлоридов металлов, абсолютно инертное к заливаемому металлу и, кроме того, полностью изолирующее заливаемый металл от взаимодействия с мате- 20 риалом керамической формы.

Предпочтительнее использование хлорида бария (ВаС1 ), как наиболее химически устойчивого к заливаемому ме таллу, склонного к поглощению вредых для титана элементов (О, Н2, N2, С и др.) и имеющего температуру кипения (1830 С ) выше температуры заливки металла, т.е. отношение температуры плавления ВаС1 к температуре ЗО заливаемого металла составляет 1,1.

Раствором хлористого бария обрабаты". вают формы для отливок практически .любых габаритов и с любой толщиной стенки. 35

Растворы хлористого натрия или калия, или кальция целесообразно испольэовать для обработки Форм отливок небольших габаритов.и с толщиной стенки 10- 15 мм. Это объясняется тем, ао что температура кипения солей NaC1, КС1 и СаС1 составляет 0,8-0,91 температуры заливаемого металла.

Концентрация раствора влияет на толщину образующегося солевого покрытия. уменьшение концентрации соли ниже 2И снижает эффект обработки эа счет уменьшения толщины и сплошности покрытия, а дальнейшее повышение кон50 центрации (выше 36 ) не целесообразно, так как толщина образующегося покрытия, например хлорида бария, достаточна для получения качественных без альфированного слоя отливок практически любых габаритов и с любой толщиной стенки. Кроме того, дальнейшее увеличение концентрации приводит к возрастанию толщины покрытия, что нарушает геометрическую точность отливок. С увеличение толщины стенок отливки возрастает в указанных пределах и концентрация раствора соли.

После обработки форм в водном раст. воре их необходимо подвергнуть сначала изотермической выдержке при 85100 С в течение 45-90 мин с целью полного удаления химически несвязанной воды (растворителя). Дальнейшее повышение температуры производить нельзя, так как это приводит к кипению растворителя, а следовательно, к нарушению сплошности и равномерности покрытия. Температуры кипения водных растворов данных солей указанных концентраций находятся в интервале

101-110 С. Понижение температуры приводит к увеличению длительности изотермической выдержки, что снижает производительность процесса.

После удаления растворителя (воды) формы подвергают второй иэотермической выдержке при 300-400 С s течение

1,5-3 часов.

При этом происходит полное удаление связанной кристаллогидратной воды из образующихся кристаллогидратов типа ВаС1> 2Н О, При более низких температурах (ниже 250 С) кристаллогидратная вода, которая является сильным окислителем для заливаемого металba, не удаляетсл полностью, что снижает эффект обработки, а следовательно, и качество получаемых отливок. Повышео ние температуры выше 400 С нецелесообразно, так как при том же эффекте, обеспечивающем полное удаление кристаллогидратной воды, повышается расход энергии, усиливаются термические напряжения в форме.

Пример 1. Электрокорундовые формы по выплавляемым моделям со связующим гидролизованным раствором этилсиликата для отливок с толщиной стенки 8-12 мм обрабатывают по известному способу 27-293 растворами хлорида магния (MgC Q) и натрия (NaC1) путем четырехкратной пропитки и сразу же помещают на сушку при 250-300 С.

Обработанные формы заливают сплавами титана ВТ5Л, АТ9Л и ВТ20Л в гарнисажно-дуговой печи ВДЛ-4.

Иеталлографический анализ показывает, что на всей поверхности отли. вок, полученных в формах, обработанHblx хлоридом магнил, имеется альфированный слой толщиной 300- 150 ми, 90848 та на отливках, полученных в формах, обработанных хлоридом натрия, аль(!>ированный слой толщиной 180-250 мкм проявляется в виде крупных пятен разнообразной формы. В обоих случаях на отливках имеется пригар и открытая газовая пористость. С увеличением толщины стенки отливки глубина альфированного слоя возрастает, С целью обеспечения нормальной эксплуатации данных деталей, а также возможности их механической обработки, их подвергают травлению для снятия альфированНОГО СЛОЯ.

Пример 2, Злектрокорундовые формы по выплавляемым моделям со связующим гидролизованным раствором зтилСИГ1И Ксl Г с1 I!JIB ОТЛИ ВОК С ТОЛЩИ !011 СТЕН ки до 29 мм обрабатывают 24:; раствором хлорида бария (ВаС1 ) и подверга- щ ют ступенчатой изотермической выдержке сначала при 89 С в течение 90 мин, а затем JIpii 290 С з течение 3 ч. Скорость и-Il-рева форм от первой изотермической выдержки до второй составля- 5

О "„/>ли

Обработанные фермы заливают сплавами (итана ВТ5Л., В 9Л,. ВТ20Л в гар

,l1» с 1 ;",I .. ау I в >й пе - .I"1,I»1,01 -} =

1; —, «ллс граф;>ческий анализ показы

« вает полное атcvTcтвие альфированно:; (>I cI!I»,,i И В; ->Л. 3O F..c»H - ЫМ;;, С-l OOO! I

-; гадес, - ° !.:,, Л,.> г-,-« "1, ° —;"ОПЦ!(1Н - и .. TcI-H(! 30- «О мм обрабать!ва,т 304 раст;ором . :. >Орида бария и подверга;!- -. :, геiill .T(; -:, кзотов >ичсскои !аь>(1е(». (,, »!> а за(ем и!>и 320" С в Tå -;ение 2 ч. СкоpocTb. нагрева. форм GT первой изотер.мической выдержки дo второй составля-ет 3-9 -/мин. . Обработанные формы заливают сплавами титана ВТ5Л, ВТ9Л, ВТ20Л в гарнисажно-дуговой печи ВДЛ-4. Металлогpa(I, IЧЕСкий анализ показывает Полное отсутствие альфированного слоя на поверхности отливок.

2 8

90 мин, а затем при 100 С в течение

1., 9-2 ч, Скорость нагрева (»орм от первой ступени изотермической выдерж ки до второй составляет 3-9 C/HèH.

Обработанные формы зали вают сплагами титана ВТ5Л, ВТ9Л, ВТ20Л в гарниса»<но-дуговой печи ВЯЛ-1!. Металлографический анализ показывает полное отсутствие альфированного слоя на поверхности отливок.

Пример 5. Электрокорундовые формы по выплавляемым моделям со свя зующим гидролизованным раствором этилсиликата для отливок с толщ>иной стенки до 19 мм обрабатывают 289, рас

BOPcIMI1 ХЛОРИДа КатРИЯ И I(аЛЬЦИЯ ПОД вергают ступенчатой изотермической выдержке cначапа при 90 С ь те ение ч, а затем при 350 С в течсние 3 ч

Скорость нагрева форм от первой изотерми ческой выдержки до второй соста ляет 3-9 С/мин.

Обработанные формы заливают сплавамл титана ВТ5Л,. ВТ9Л, ВТ2ОЛ в гарнисажно-дуговой печи ВДЛ-(>, Металлографический анализ литых .",:тановых образцов методом травления (акже путем замера микротвердости п>з> 1:>op ПМТ > . пока зс>л >10л!Ное от су-, (",вие =(>I-..(1>!1рова>-1;!Ого слоя на псВ г Р Х Н О (- .-. О !. Л и c, O y

IJi> (>:: ЕО 1;..с!ЕХа:;- -;:-!ЕСКИЕ С Вой Ст Ва бота>:н1-::::, г.:.; I„eдла гаемо 1у способу со -- в=- зу1: —. l. : 29, --„а химичес,(ие свои!.т а " О Т 1 !0013" /1:

Таким Образо»., Гlо сравнению с из вестнь:.и способом г,редль гае ый cno:.oÃç поз .-:,: —:..—.>---:- о >тим, зигов 1 i пр(цесс

Об Пас>(>1 >(И i; —:Еа !(, H;=. (l .:,IХ ЙОО>1 Вод! ЫМИ ра(>1 вора->,:.; -.О>-." "; тем самым исключить взаимодейств>!е заливаемого металла с матеpl,алом формы, предотвратить т"=I! са>1ь>1! образование альфированного слоя::-..c; поверхности отливок, лучшить их качество и обрабатываемост ь. формуlia и=-Обрстения

Пример 4. Электрокорундовыс формы по выплавляемым моделям со связующи м гид рОли ЗОва ннь!м раст вОрОм этилсипиката для отливок с толщиной стенки более 60-100 мм обрабатывают

36, раствором хлорида бария и подвергают ступенчатой изотермической выдержке сначала при 100 С в течение

1, Способ обработки литейных форм для получени"..литья из химически активныхх метаглов, включающий пропитку прокапенных форм водными растворами хлоридов с последующим их нагревом,отличающийся тем, что, с цепью предотвращенля взаимодеиствия формы с зал>>ваемыж металлом

90848 и улучшения качества литья за счет предотвращения образования альфированного слоя на поверхности отливок, повышения их качества и обрабатываемости, форму пропитывают 24-36 ;-ным водным Гствором хлорида кальция или бария, или натрия, или калия, а при нагреве осуществляют изотермическую выдержку при 85-100 С до полного удаления химически несвязанной воды, за-10 тем проводят изотермическую выдержку

О при температуре 250-400 С до полного удаления кристаллогидратной воды из упомянутых хлоридов, причем скорость нагрева форм от первой изотермичес- 15 кой выдержки до второй составляет

3-9 С/мин.

2, Способ по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью получения качественных отливок с толщи- о ной стенок 10-15 мм, используют 243ный водный раствор хлорида натрия или калия, или кальция, а вторую изотермическую выдержку проводят при 350400 С. 25

Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью получения качественных отливок толщиной стенок 30-50 мм, используют 303-ный

2 l0 водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при

95 и 320 С.

4. Способ поп. 1, отли чаю шийся тем, что, с целью получения качественных отливок с толщиной стенок более 60- 100 мм, используют

363-ный водный раствбр хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при 100 и 400 С.

5. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью получения качественных отливок с толщиной стенок 15-25 мм, используют 243-ный водный раствор хлорида бария, а изотермическую выдержку проводят при

85 и 250 С.

Источники инбюрмации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гуляев Б. Б. и др. Литье тугоплавких металлов. M., "Машиностроение", 1964, с. 13- 18.

2. Патент США 1 3802482, кл. 164-71, опублик. 1976.

3. Ковалев 1О.Г. и др. Поверхностный слой титановых отливок. "Повышение качества отливок из легких сплавов" . Сборник. Пермь, 1977, с.74-78.

Составитель. И. Куницкая

Редактор М. Янович Техоев Т. Маточка Корректор Г. Огар

Заказ 696/12 Тираж 853 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва И-32 Раушская наб. д. 4/)

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4