Способ изготовления биметаллических отливок системы сталь- сплав на основе меди

 

О П И С А Н И Е („ 980952

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 04.12.80 (21) 3212146/22-02 с присоединением заявки № —— (23) Приоритет —— (51) М К

В 22 D 19/00

Гоеударствеииый комитет

СССР

Опубликовано 15.12.82. Бюллетень ¹ 46

Дата опубликования описания 25.12.82 (53) УДК 621.74. .046 (088.8) по делам изобретеиий и открытий

В. Я. Конюх, Н. А. Мальцев и С. Н. Корытова (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель

Институт газа АН Украинской CCP (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОТЛИВОК

СИСТЕМЪ| СТАЛЬ-СПЛАВ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Изобретение относится к литейному производству, в частности к спо-обад получения биметаллических соединений медь-сталь

Известен способ изготовления биметаллических отливок, в котором предварительно подготовленную и нагретую заготовку опускают в ванну с расплаво 1 другого металла и намораживают его, подвергая одновременно заготовку воздействию ультразвуковых колебаний, направляемых перпендикулярно намораживаемой поверхности с расстояния не более 10 мм, что улучшает физико-химические свойства намораживаемого слоя (1) .

Недостатком данного способа получения биметаллической отливки является плохое качество соединения разнородных металлов, так как в процессе предварительного подогрева заготовки и намораживания на нее другого металла ее поверхность взаимодействует с окружаюшей средой, окисляется и это резко снижает качество соединения.

Известен также способ изготовления биметаллической отливки, включающий предварительный подогрев твердой заготовки, заливку на нее перегретого легкоплавого металла и последующее охлаждение кристаллизующейся отливки, причем предварительный подогрев твердой заготовки осуществляют до 100--600 С. легкоплавкий металл нерегревают до температуры, превышающей на 20--25 С его температуру плавления, а после выдержки в течение 30 — 60 с охлаждением кристаллизующейся, отливки ведут со скоростью 5 — -15 град/с (2).

Данный способ отливки не обеспечивает качественного соединения при нагреве.

Объясняется это тем, что на поверхности, например, стальной заготовки образуется пленка окислов, препятствующая прочному соединению в последуюгцем. Кроме того, в известном способе температура предварительного подогрева заготовки (100 — 600 С)

>s является низкой для соединений типа медь— сталь, так как в этом случае кристаллизация меди в соединительном слое происходит очень быстро, вызывая образование трещин н пор в месте соединения. Это снижает надежность отливок, в особенности работающих под давлением.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления биметаллических отливок, включаюгций подогрев твердой вставки, обра980952

3 ботку ее флюсом, размещение в подогретой литейной форме и заливку расплавом 13)

Этот способ применим при отливке деталей типа втулок подшипников скольжения системы сталь — бронза.

Однако нри отливке изделий, например фурм доменных печей, в которых для охлаждения подается вода давлением не ниже 8 кг/см, требуется прилить к стальной "..àãîòîâêå медную часть. При этом давлению воды подвергается отдельно и медная, и стальная часть фурмы. Отливка фурмы известным методом приводит к разрыву металла в зоне соединения медь сталь при создании давления воды.

Целью изобретения является повышение качества (прочности) соединения медь— сталь.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу изготовления биметаллических отливок системы сталь — сплав на основе меди, преимущественно медь, например фурм доменных печей, включающему. предварительные подогрев твердой заготовки из стали и обработку флюсом, размещение ее в подогретой литейной форме и заливку перегретым расплавом, твердую заготовку обрабатывают в жидком флюсе при

900 — 1050 С, а температуру литейной формы и твердой заготовки перед заливкой расплавом меди поддерживают равной 825 — 925 С.

Температура ванны поддерживается равной 900 — 1050 С. Из сказанного видно, что шлак должен быть достаточно легкоплавким, чтобы быть жидкотекучим при указанных температурах, Кроме того, состав шлака должен обеспечивать достаточно быстрое растворение в нем имеющихся на поверхности стальной заготовки окислов железа и других компонентов стали. В связи с этим хорошие результаты могут быть получены при применении шлаков на основе буры. Проведенные исследования показывают, что такой шлак растворяет окислы как с поверхности заготовки, так и на некоторую глубину по границам зерен, что благоприятно сказывается на проникновении в сталь меди и улучшает прочность их соединений.

После того, как температура заготовки достигла указанной величины и ее поверхность очистилась от окислов, ее вынимают из шлаковой ванны и устанавливают в литейную форму. При переносе заготовки в форму взаимодействие ее с окружающей атмосферой исключается, так как заготовка покрыта пленкой шлака. Взаимодействие заготовки с атмосферой не происходит и в форме, так как защитные свойства шлаковой пленки сохраняются. Температура фор мы вместе с заготовкой поддерживается равной 825 — 925 С. Возможен предварительный нагрев формы до указанной температуры.

После этого расплавленная медь заливается в форму. Поскольку температура за4 ливаемой меди выше ее точки плавления (1083 С), а применяемые шлаки при этой температуре жидкоподвижны, то шлаковая пленка на стальной заготовке, если она затвердела, расплавляется и медь соединяется со сталью. При температуре 825 — 925 С кристаллизация меди происходит относительно медленно, поэтому в переходном слое медь — сталь не возникает напряжений, вызывающих образование трещин. Отсутствие пленки окислов на поверхности стальной

10 заготовки обеспечивает прочное соединение ее с медью. Кроме того, отсутствие кислорода предотвращает образование пор в соединительном слое, дополнительно улучшая качество соединения медь †ста.

Пример l. В заводских условиях осуществляют отливку биметаллических фурм для подачи воздушного дутья в доменную печь известным способом. Для этого внутренний конус фурмы, изготовленный из стали 20 кп, предварительно подогревают до

20 600 С, помещают его в форму и заливают медью с температурой 1160 С. Исследование места соединения меди со сталью показывает, что B нем сушествует значительное количество трещин длиной 0,1—

6 мм, что резко снижает прочность шва на разрыв и изгиб, соответствующие показатели оказываются равными 12 кг/мм и 85;

Пример 2. В заводских условиях осуществляют отливку биметаллических фурм для доменной печи по предлагаемому cnocogp бу. Внутренний конус фурмы для подачи воздуха изготовлен из стали 20 кп, а рыльце и наружный корпус отливают из меди, Bbiплавленной в индукционной электропечи, конус обрабатывают в борном шлаке при температуре 900 С, в течение 30 мин. Обработанный в шлаке конус помещают в графитовый кокиль и при температуре кокиля и формы 850 С заливают медью. Температура меди 1160 С. После затвердевания металла форму разбирают, а место соеди40 нения медь †ста исследуют под металлографическим микроскопом и вырезают образцы для механических испытаний. Исследования показывают, что структура переходного слоя является макро- и микроплотной без трешин и пор. 11ри испытании об45 разца на растяжение разрыв получается по меди, что свидетельствует о прочности соединения медь — сталь.

В дальнейшем такие же фурмы были отлиты при температурах обработки сталь0 ных конусов в борном шлаке 950, 1000, 1050 и 1100 С и заливке меди в графитовый кокиль со вставленным стальным конусом при температурах 800, 825, 875, 825 и 950 С. Из отливок взяты образцы на металлографические исследования и механические испытания (так же как в предыдушем случае) .

Результаты всех экспериментов сведены в таблицу.

980952

)(ара ктери ст и ка слоя медь — сталь

Прочность на о

Температура йормы 800 С

8 >0

10 мм

Есть

110, по шву

900

Нет

Нет

1?0, по меди

91> 0

9 >И

1000

10 >О

1100

110

:емпература йормы 8?"> С

8 >О

Есть

Нет

900

Нет

Нет

70 с) 1>О

1 9 -111000

?1 11

10 >0

11() 0

Температура йормы 875 С

1(>, по

8 >0

Есть Нет шву

900

Нет

9 >О

1000

10 >О

1100

Температура обра(>отки в борном шлаке

Пористость Трещины разрыв, кгс/мм

15, по шву

20, по меди

1(>, по шву

?О, по меди

21, по меди изгиб, град.

Аналогично предыдущему

Аналогично предыдущему

980952

Продолжение таблицы

Характеристика слоя медь — сталь

Температура обработки в борном гллаке

Прочность на

Пористость Трещины разрыв, изгиб, кгс/мм град. емпература г>г>"мы Ч?5 С

8 >О

?0,5; по меди

1?О, по меди

Есть Нет

20 100

?О

У>О

10()Î

10 ">0

1100

19 - 115

Температура йормы 950 С

Есть Нет

35> О

9() 0

Нет

Эг>О

1000

II II

1100

10 >О

1ß 115

11() 0

105

Наличие трещин снижает прочность металла на изгиб и разрыв и приводит к преждевременному его разрушению. Ана4> логичное влияние оказывают и поры в слое, однако их влияние на прочностные характеристики менее выражено, чем для .трещин. Влияние пор больше сказывается уже в готовых изделиях, когда фурма испытывается водой под давлением более 8 кгс/см .

В этом случае через поры просачивается вода и готовое изделие бракуется.

Из данных таблицы следует вывод, что температура обработки конуса в борном илаке должна находиться в пределах

ss 900 — 1050 Ñ, а температура нагрева и заливки формы 825 — 925 С.

Преимущества предлагаемого способа перед известным заключаются в улучшеКак видно из данной таблицы, трещины в соединительном слое медь — сталь появляются при температуре формы 800 С и температуре обработки в борном шлаке

850 С. Поры в соединительном слое появляются при температуре обработки конуса в шлаке 850 С. Повышение температуры обработки конуса в шлаке до 1100 С снижает механическую прочность соединения (сопротивление на разрыв падает с 22-20 до 17кгс/мм и увеличивает его хрупкость (величина угла разрушения на изгиб снижается с 120 до 105 град).

Объясняется это явление тем, что в этом случае структура литого металла получается более крупнозернистой, что снижает его механические характеристики.

20,5, по 120, по меди меди

980952

Составитель Т. Королева

Техред И. Верес Корректор Г. Решетннк

Тираж 852 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор М. Лылын

Заказ 9565/16 нии качества соединения медь сталь, что является очень важным, в особенности для изделий, работающих под давлением. Основываясь на полученных результатах металлографических исследований и механических испытаний металла в месте соединения медь — сталь, можно прийти к заключению, что стойкость и долговечность изделий, изготовленных предложенным способом, должна быть выше, чем известным. Исходя из полученной прочности на разрыв (21 кг/мм/мм в данном способе и 12 в известном), можно считать, что стойкость изделий из биметалла сталь — медь возрастает в 1,75 раза. Если этим способом изготовить фурмы для подачи дутья в доменные печи, то их потребность снизится в 1,75 раза. При использовании предложенного способа годовая экономия на всех заводах Украины составляет 486 тыс. руб.

Форл1ула изобретения

Способ изготовления биметаллических отливок системы сталь — сплав на основе меди, преимущественно медь, например фурм доменных печей, включающий предварительные подогрев твердой заготовки из стали и обработку флюсом, размещение ее в подогретой литейной форме и заливку перегретым рас5 плавом, отличающийся тем, что, с целью повышения качества соединения, твердую заготовку обрабатывают в жидком флюсе при 900 в 1050, а температуру литейной формы и твердой заготовки перед заливкой расплавом меди поддерживают равной

1О 825 925 С

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Хо 483192, кл. В 22 D 23/04, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

М 596367, кл. В 22 D 19(00, 1975.

3. Смеляков Н. H. Армированные отлив20 ки Машгиз, 1958, с. 99 100.