способ изготовления отливок из черных и цветных металлов

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ и сплавов на их основе, включающий изготовление формы путем заливки жидкоподвижной самотвердеющей смеси в технологическую оснастку, в которую предварительно устанавливают модель, ее удаление, прокалку формы, заливку формы металлом и его затвердевание, отличающийся тем, что прокалку формы осуществляют до температуры не выше 572^oС, а заливают расплав металла под давлением методом выжимания с кристаллизацией его под давлением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед заливкой жидкоподвижной самотвердеющей смеси на модель наносят 1 2 слоя огнеупорного материала, сушат, а затем пропитывают водой.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что модели изготавливают из водорастворимого состава и облицовывают их воскообразным составом.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что форму изготавливают из жидкого алюминия или его сплавов на его основе, а модели из цинка и его сплавов.

5. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что модели изготавливают из полиэтилена.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении точных отливок с повышенными механическими свойствами металла в разовых формах, изготавливаемых по выплавляемым, водорастворимым или выжигаемым моделям.

Известен способ получения точных отливок по выплавляемым моделям, включающий изготовление моделей, нанесение на модели многослойного огнеупорного покрытия (обычно 4 слоя и более) путем многоразового последовательного проведения операций окунания в огнеупорную суспензию, последующей обсыпке сухим зернистым огнеупором и сушке, выплавку моделей из многослойной оболочки, формовку оболочки в опоке сухим зернистым огнеупорным наполнителем, прокладку заформованной оболочки в печи при 800-1100^оС, гравитационную заливку расплава (с перегревом над температурой ликвидуса) и выдержку для затвердевания металла в форме при атмосферном давлении.

При этом, модели в отдельных случаях изготавливают также из водорастворимого состава, например карбамида, а также из пенополистирола, выжигаемого перед заливкой металлом при прокалке форм.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления отливок, включающий изготовление формы путем заливки жидкоподвижной самотвердеющей смеси (ж. с. с. в технологическую оснастку, в которую предварительно устанавливают модель, ее удаление и прокалку формы, заливку формы металлом и его затвердевание, при этом нагрев формы осуществляют при 200-300^оС в вакууме, который поддерживают на уровне (1-2) 10⁴ Па в течение 45-2 ч.

Использование вакуума усложняет процесс изготовления форм. Свободная (гравитационная) заливка в форму при 200-300^оС ограничивает номенклатуру получаемых отливок из-за непроливаемости тонких протяженных стенок, а нагрев форм до 800-900^оС связан с большими затратами электроэнергии и растрескиванием форм из-за превращений в кварцевом песке.

Механические свойства металла получаемых отливок уступают прокату, что приводит к увеличению металлоемкости изделий с литыми деталями и не позволяет использовать их в изделиях ответственного назначения. Кроме того имеются ограничения по номенклатуре литья из-за возникающих дефектов недоливов и засоров.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления отливок из черных и цветных металлов и сплавов на их основе, включающем изготовление формы путем заливки жидкоподвижной самотвердеющей смеси в технологическую оснастку, прокалку формы осуществляют до температуры не выше 572^оС, а затем расплав металла под давлением методом выжимания с кристаллизацией под давлением (ЛВКД).

Предлагаемый режим прокалки форм и прием заливки металла в формы упрощают технологию и расширяют технологические возможности литья, позволяют уменьшить брак по недоливам.

Верхний предел температуры прокалки форм 572^оС установлен с учетом температурных превращений в кварцевом песке (при 573^оС -кварц превращается в -кварц с увеличением линейных размеров на 1,4% что может приводить к растрескиванию форм).

Заливка расплава металла под давлением (методом ЛВКД) обеспечивает хорошую проливаемость и получение даже в холодных формах тонкостенных протяженных отливок из стали и цветных сплавов, а относительно низкая температура заливаемого расплава, в интервале кристаллизации, и затвердевание расплава в "холодной" форме под давлением позволяют получать повышенные механические свойства металла точных отливок, на уровне проката.

При заливке медных расплавов методом ЛВКД в гипсовые формы по выплавляемым моделям получают качественные, точные отливки из любых бронз. Это обеспечивается низкой температурой заливки расплава в форму и кристаллизацией под давлением.

В отдельных случаях, когда в одном цехе изготавливают отливки из алюминиевых и медных сплавов, чугуна и стали и имеется необходимость использования одного вида ж. с. с. например, гипса, или изготавливаются в цементных формах стальные отливки с повышенными требованиями к чистоте их поверхности, перед заливкой ж. с. с. на модель наносят 1-2 слоя огнеупорного покрытия, производят его сушку, а затем пропитку водой.

Наличие на поверхности гипсовой формы огнеупорного покрытия и заливка расплава под давлением при низкой температуре обеспечивают возможность формирования качественной поверхности стальной отливки до начала разложения гипса) в данном случае огнеупорное покрытие играет роль теплозащиты).

Использование в литейном цехе одного вида материала форм упрощает решение организационных вопросов. Огнеупорное покрытие на рабочей поверхности цементной формы или на поверхности формы из жидконаливных смесей обеспечивает качество поверхности отливок такое же, как при обычном процессе литья по выплавляемым моделям, при существенном сокращении производственного цикла и производственных площадей, снижении себестоимости литья.

Следующее отличие предлагаемого способа заключается в том, что при изготовлении выплавляемых моделей из водорастворимого состава их облицовывают воскообразным составом. Такое решение позволяет использовать модели из водорастворимых прочных составов для получения крупногабаритных отливок с использованием ж. с. с. содержащих воду ( в качестве материала моделей используют составы на основе карбамида или полиэтиленгликоля). Комбинированные модели получают, например, заливкой в пресс-форму жидкого воскообразного модельного состава и последующего его слива после намораживания тонкой корочки, а затем в образующуюся оболочку заливают, например, состав на основе полиэтиленгликоля. Комбинированная модель негигроскопична и не взаимодействует с материалом форм.

После заливки комбинированной модели ж. с. с. "схватывания" его, вначале растворяют в воде основу модели, а затем выплавляют тонкостенную воскообразную оболочку.

Модели из водорастворимых составов не подвержены короблению, что является важным фактором при изготовлении крупногабаритных отливок.

При изготовлении отливок из титана и сплавов на его основе в качестве материала ж. с. с. используют жидкий алюминий или сплавы на его основе. При этом в качестве материала моделей используют более легкоплавкий металл, например, цинк и его сплавы, или водорастворимые составы, например, соли и др.

После заливки алюминиевого расплава и его затвердевания модели удаляют из форм выплавлением или растворением в воде.

В процессе заливки расплава титана методом ЛВКД в алюминиевую форму и его затвердевания форма нагревается и расплавляется. Материал формы используют повторно и процесс повторяют.

Следующее отличие способа заключается в том, что при изготовлении крупногабаритных, протяженных тонкостенных отливок выплавляемые модели изготавливают из полиэтилена. Это позволяет значительно расширить технологические возможности литейной технологии за счет увеличения номенклатуры литья изделий, изготавливаемых в настоящее время из дорогостоящего проката, например таких, как стальные трубы, арматурная сталь для строительных конструкций, различные сварные узлы и др. При этом полиэтиленовые модели простой конфигурации, например трубы, изготавливают методом экструзии.

П р и м е р 1. Блок выплавляемых моделей из парафиностеариновой модельной массы, устанавливают в стальную кассету заливочной воронкой вниз и заливают ж. с. с. гипсовой формовочной смесью следующего состава, Гипс 60 Кварцевый песок 35 Молотая слюда 5

Водогипсовый фактор (отношение воды к сухой составляющей) равен 66-70%

Через 5 мин после заливки ж. с. с. (время схватывания гипса 2,7 мин) производят выплавку модели из формы в горячей воде. При выплавке модельный состав не попадает в поры формы, так как они заполнены водой. Сушку для удаления влаги и прокалку формы в кассете производят в нагревательной электропечи при 450^оС. После прокалки форму с кассетой извлекают из печи и, в зависимости от технологических требований, производят выдержку для снижения температуры до необходимого предела. Затем кассету устанавливают в контейнер установки литья выжиманием с кристаллизацией под давлением, заливают в камеру выжимания расплав бронзы и при температуре ликвидус выжимают расплав из камеры в литейную форму путем перемещения камеры вверх с заданной скоростью, например, 15 мм/с (скорость металла в литниковом ходе 0,7 м/с). Сразу после заполнения рабочей полости формы в контейнер подают сжатый газ под давлением 0,5 МПа и производят выдержку до полного затвердевания отливки. Вследствие низкой температуры заливки расплава (без перегрева над температурой ликвидус), температуры формы не выше 450^оС и высокой скорости заливки время контакта жидкой фазы с поверхностью литейной формы близко к нулю, т. е. практически мгновенно после заполнения формы идет образование твердой корочки металла на ее поверхности и процессы газообразования, например, из-за разложения гипса, уже не оказывают отрицательного влияния на качество поверхности отливки. Кристаллизация расплава под газовым давлением обеспечивает получение плотной отливки с высокими механическими свойствами металла на уровне проката.

Затвердевшую отливку извлекают из формы и процесс повторяют.

П р и м е р 2. Перечень и последовательность операций та же, что и в примере 1. Отличие заключается только в том, что при получении стальных отливок используют ж. с. с. из смеси кварцевого песка, цемента (8-12% по массе) и воды (30-40% сверх 100%).

П р и м е р 3. Перечень и последовательность операций та же, что и в примере 1. Отличие заключается в том, что перед заливкой ж. с. с. из гипсосодержащего состава на модель наносят один слой огнеупорной суспензии на этилсиликате, производят обсыпку шамотным порошком, сушку и последующую пропитку покрытия водой.

Готовую форму после сушки и прокалки при температуре 500^оС заливают чугуном.

П р и м е р 4. Для получения крупногабаритной отливки в металлическую пресс-форму заливают модельный состав ПС 50-50 при 70^оС, производят выдержку 1-2 с и сливают жидкий остаток. Затем в пресс-форму запрессовывают состав на основе полиэтиленгликоля при 47^оС. После затвердевания полиэтиленгликоля образуется комбинированная модель: тонкий наружный слой из воскообразного состава, остальная часть из водорастворимого состава.

Наружный воскообразный слой обеспечивает негигроскопичность при хранении моделей, а также не взаимодействие с водосодержащим ж. с. с. при его заливке.

Готовую модель извлекают из пресс-формы и производят последующие операции, аналогичные изложенным в примерах 1,2 и 3 за исключением удаления модели из формы: вначале растворяют основу модели из полиэтиленгликоля в холодной воде, а затем оставшуюся тонкую оболочку из воскообразного состава выплавляют в горячей воде.

П р и м е р 5. Пенополистироловую модель заливают ж. с. с. содержащей цемент. После "схватывания" ж. с. с. форму помещают в вакуумируемую электропечь и производят выдержку при 170^оС для испарения пенополистирола. Остальные операции производят аналогично операциям в вышеизложенных примерах.

П р и м е р 6. Сложную отливку из титанового сплава ВТ5Л получают в следующей последовательности.

Из цинкового сплава отливают под давлением модель отливки (в отдельных случаях модель может состоять из нескольких отдельно отлитых частей, а затем собранных в один узел), которую устанавливают в металлическую форму и заливают под низким давлением алюминиевым сплавом следующего состава: Fe 2% Si 1,5% Al остальное. Алюминиевую отливку извлекают из металлической формы и помещают в термопечь для выплавки модели при 420^оС.

Готовую алюминиевую форму закрепляют в установке литья выжиманием, расположенной вместе с плавильной печью в вакуумной камере, заливают расплав титанового сплава ВТ5Л в камеру выжимания, а затем выжимают расплав при температуре t_ликв, в рабочую полость литейной формы и производят механическую подпрессовку.

В процессе затвердевания и охлаждения титановой отливки алюминиевая форма нагревается и расплавляется. Титановую отливку извлекают из вакуумной камеры, материал формы направляют для повторного использования и процесс повторяют.

П р и м е р 7. Стальную трубу с наружным диаметром 500 мм, толщиной стенки 5 мм и длиной 6000 мм получают следующим образом.

Полиэтиленовую трубу, изготовленную методом экструзии с размерами, большими на величину усадки стали, устанавливают в кассету и заливают ж. с. с. содержащей цемент, с наложением вибрации. При этом внутри модели располагают металлический стержень для уменьшения расхода ж. с. с.

После окончания заливки ж. с. с. "схватывания" смесей, постоянный стержень извлекают, а форму вместе с моделью помещают вертикально в шахтную электропечь, где производят нагрев до 450^оС и выдержку. В процессе нагрева полиэтилен расплавляется (т. пл. 104-115^оС), перегревается и стекает вниз, в расположенный под формой поддон.

Готовую форму устанавливают в машину литья выжиманием с кристаллизацией под давлением над камерой выжимания, заливают в камеру сталь, производят выдержку и при температуре начала кристаллизации выжимают сталь в форму путем перемещения камеры вверх со скоростью 20 мм/с. После заполнения формы в прибыльную часть отливки подают газовое давление величиной 0,5 МПа. Затвердевшую отливку извлекают из формы и процесс повторяют.

Предлагаемый способ позволяет снизить себестоимость литья, расширить технологические возможности.