способ изготовления точных отливок в керамических формах с кристаллизацией под давлением

Формула изобретения

1. Способ изготовления точных отливок в керамических формах с кристаллизацией под давлением, включающий прокалку керамических форм, охлаждение керамических форм, засыпку керамических форм в контейнере опорным наполнителем, заполнение керамических форм расплавом под давлением и затвердевание расплава под давлением, отличающийся тем, что керамические формы охлаждают до 150-300°С, а заполнение керамических форм осуществляют жидкотвердым расплавом, содержащим центры кристаллизации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамические формы заполняют расплавом при температуре ниже температуры ликвидуса, но не ниже температуры нулевой жидкотекучести.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамические формы заполняют расплавом чистых металлов, модифицированным малыми добавками модификаторов II рода, в частности наночастиц тугоплавких химических соединений типа нитридов, карбонитридов, например TiCN, при температуре выше температуры начала кристаллизации.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамические формы заполняют расплавом, содержащим тугоплавкие модификаторы, при температуре ниже температуры ликвидус.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в литейном производстве при изготовлении точных отливок в керамических формах по выплавляемым моделям с повышенными механическими свойствами металла на уровне поковок и проката.

Известен способ изготовления отливок в керамических формах с использованием вакуума для заполнения их расплавом и кристаллизацией отливок в формах под атмосферным давлением (пат. SU № 704438, БИ №46, 1979).

Данный способ позволяет получать точные отливки со свойствами металла в соответствии с ГОСТ на литье.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ получения точных отливок в керамических формах с кристаллизацией под давлением (К.А.Медведев, Н.М.Чернов. «Литье по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением коррозионно-стойких сталей» // Литейное производство, 2006, №1, стр.20-23).

По этому способу керамические формы после прокалки при 950°С охлаждают до комнатной температуры, заформовывают в контейнере опорным наполнителем, нагревают до 500°С и заполняют снизу перегретым над линией ликвидус расплавом металла (для стали 12Х18Н9ТЛ при температуре 1470+10°C, температура начала затвердевания данной стали 1425÷1440°С) и производят выдержку под давлением до полного затвердевания отливок.

Данный способ имеет существенные недостатки:

- повышенный расход энергии на нагрев керамических форм перед заливкой расплава металла,

- недостаточно высокие механические свойства металла отливок, уступающие свойствам поковок и проката. Так, например, при получении отливок из данной стали с пределом прочности на уровне поковок и проката относительное удлинение составляет всего 26% и уступает требованиям проката и поковок (40%), а относительное сужение составляет 50% вместо 55% по требованию на прокат и поковки.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно уменьшение расхода энергии на подготовку керамических форм и повышение механических свойств металла до уровня поковок и проката.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления точных отливок, включающем прокалку форм, засыпку керамических форм опорным наполнителем, заполнение керамических форм расплавом металла и затвердевание его в формах под давлением, керамические формы охлаждают до 150-300°С, а заполнение керамических форм осуществляют жидкотвердым расплавом, содержащим центры кристаллизации.

Нижний предел температуры установлен из условий отсутствия в керамических формах влаги при заполнении их расплавом металла, а верхний предел - из условий достаточности и экономии энергии. Это позволяет устранить потери энергии на нагрев керамических форм перед заливкой. Заливка расплава металла в более холодные керамические формы позволяет повысить скорость затвердевания в них металла и измельчить зерно.

Следующее отличие способа состоит в том, что керамические формы заполняют расплавом при температуре ниже температуры ликвидуса, но не ниже температуры нулевой жидкотекучести. Существенное измельчение зерна происходит при заполнении форм жидкотвердым расплавом и за счет наличия в нем готовых центров кристаллизации, таких как твердая фаза расплава. Например, отливки из стали 30ХГСЛ получают вытеснением стали из камеры выжимания при температуре 1485°С±10 (температура ликвидус стали 30ХГСЛ - 1495°С, температура ее нулевой жидкотекучести - 1475°С).

Следующее отличие способа состоит в том, что отливки из чистых металлов получают из расплавов, модифицированных малыми добавками модификаторов II рода, в частности наночастицами тугоплавких химических соединений типа нитридов, карбонитридов, например TiCN, при температуре выше температуры начала кристаллизации. Например, отливки из меди получают, модифицируя ее наночастицами TiCN в количестве 0,05 вес.%.

Следующее отличие способа состоит в том, что керамические формы заполняют расплавом, содержащим тугоплавкие модификаторы, при температуре ниже температуры ликвидус. Например, отливки из стали З0ХГСЛ получают вытеснением стали ниже температуры 1495°С, модифицированной TiCN в количестве 0,05 вес.%.

Тугоплавкие наночастицы обеспечивают получение мелкого первичного зерна металла отливок.

Мелкое зерно отливок и затвердевание их под давлением обеспечивает получение механических свойств литого металла на уровне деформированного - поковок и проката, а это позволяет снизить вес существующих отливок на 10-30% за счет уменьшения толщины стенок при сохранении их конструктивной прочности и переводить детали, изготавливаемые из проката и поковок с низким коэффициентом использования материала (КИМ менее 0,5), на точные литые детали с КИМ более 0,9.

Пример осуществления способа.

Точные отливки из стали 12Х18Н9ТЛ в керамических формах по выплавляемым моделям изготавливают следующим образом.

После выплавки модельного состава оболочковые формы прокаливают в печи при максимальной температуре 900-950°С, а после прокалки охлаждают их вместе с печью до 300°С. Прокаленные керамические формы засыпают в контейнере опорным наполнителем (кварцевым песком) и направляют подготовленный контейнер на установку литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД).

Лом низкоуглеродистой стали расплавляют в индукционной печи по известной технологии, затем вводят необходимое количество ферросплавов, в том числе низкоуглеродистый феррохром. Часть шихты вводят в виде спрессованной стружки стали 12Х18Н9ТЛ, которую предварительно подвергают кратковременному азотированию для образования на ее поверхности слоя нитридов хрома толщиной не более 0,1 мкм. Необходимое количество титана вводят также в виде спрессованной стружки, предварительно прошедшей кратковременную нитроцементацию для образования тонкого слоя (менее 0,1 мкм) TiCN. При расплавлении подготовленной стружки в расплаве образуются тугоплавкие наночастицы из C ₂rN и TiCN.

Готовую сталь сливают из плавильной печи в разливочный ковш, а затем в облицованную кварцевым песком камеру выжимания. Температура стали в камере выжимания после заливки 1500°С. Залитую сталь выдерживают в камере выжимания до падения температуры до 1440°С (температура начала кристаллизации) и вытесняют расплав в литейную форму с заданной скоростью с одновременным вакуумированием формы для лучшего заполнения расплавом тонких стенок отливки. При заливке охлажденной ниже линии ликвидуса стали с готовыми центрами кристаллизации (твердая фаза стали 12Х18Н9ТЛ, наночастицы из Cr₂N и TiCN) в холодную форму (имеющую температуру менее 300°С) ускоряется кристаллизация и измельчается зерно отливки. После заполнения рабочих полостей форм расплавом вакуум отключают, в контейнер подают сжатый газ под давлением 0,4-0,6 МПа и выдерживают до окончания затвердевания отливок.

Расплав стали, заполнивший рабочие полости формы, представляет собой суспензию с готовыми центрами кристаллизации, что обеспечивает объемное затвердевание, измельчение зерна и химическую однородность металла отливки, кристаллизация расплава в форме под давлением устраняет микропористость, а в комплексе эти два параметра обеспечивают получение металла отливок на уровне поковок и проката.

После закалки отливок механические свойства стали составляют: _в>54 МПа, >40%, >50%, что полностью соответствует требованию ГОСТ на поковки и прокат. КИМ отливок составляет более 0,9.

Использование изобретения позволяет получать точные отливки в керамических формах по выплавляемым моделям со свойствами литого металла на уровне поковок и проката, повысить долговечность машин, снизить вес существующих отливок до 30% при сохранении их конструктивной прочности, переводить на литье детали, изготавливаемые из поковок и проката с низким коэффициентом использования материала (менее 0,5), снизить их себестоимость.