способ центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью

Формула изобретения

Способ центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью, включающий нанесение теплоизоляционного покрытия на форму, последовательную заливку наружного и внутреннего слоев металла во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, отличающийся тем, что заливку металла внутреннего слоя осуществляют при температуре, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С, на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус, при этом форму вращают с частотой, соответствующей значениям гравитационного коэффициента 90-110 на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, в частности к центробежному способу литья биметаллических заготовок с осевой полостью, например мелющих валков, применяемых в пищевой промышленности - мукомольной (размол зерен пшеницы и ржи), пивоваренной (размол солода), кондитерской (размол кофе, какао бобов) и др.

Мелющий валок состоит из биметаллической чугунной бочки диаметром 0,23-0,35 м и длиной до 1,8 м с осевой полостью, в которую запрессовываются с двух ее торцов стальные цапфы.

Бочка валка состоит из наружного износостойкого чугуна (рабочий слой) толщиной до 0,03 м и внутреннего из серого или высокопрочного чугуна.

Основная проблема в производстве биметаллических чугунных заготовок состоит в создании прочного металлургического сваривания двух сплавов с различным химическим составом и однородной структурой рабочего слоя, обеспечивающих равномерное значение твердости и его минимальный спад по сечению.

Известен способ центробежного литья прокатных валков (SU 1297981, B22D 13/02 23.03.1987), при котором после заливки и затвердевания наружного (рабочего) слоя валка при номинальном значении гравитационного коэффициента, равного 50-150, заливку металла внутреннего слоя (сердцевины) осуществляют в две стадии, причем на первой стадии жидкий металл подают при вращении литейной формы со скоростями, соответствующими значениям гравитационного коэффициента, составляющим 0,03-0,14 от значения гравитационного коэффициента при формообразовании рабочего слоя валка, на второй стадии осуществляют заливку остального металла в неподвижную форму.

Недостатком этого способа является низкий уровень гравитационного коэффициента от 1,5-4,5 до 7,0-21,0, что не позволяет обеспечить прочность соединения двух металлов - рабочего слоя и сердцевины.

Другим недостатком является прерывистость процесса заливки внутреннего слоя металла, что сопряжено с окислением поверхностного слоя первой порции металла и понижением прочностных характеристик в этой зоне валка, что способствует появлению расслоения, т.е. браку отливок.

Наиболее близок к заявленному изобретению способ центробежного литья двухслойных валков (SU 908497A, B22D 13/00 26.05.1980), при котором заливка первого металла (наружный слой) производится порциями:

сначала заливают 40-50% его массы, а при достижении свободной поверхностью этого слоя температуры солидус заливают остальную часть первого слоя.

После заливки двумя порциями наружного слоя металла подают в изложницу флюс и после достижения на образовавшейся свободной поверхности температуры солидус начинают заливать внутренний слой из серого чугуна также порциями.

Недостатком этого способа является порционная заливка наружного слоя, связанная с прерывистостью струи заливаемого металла и усиленным ее окислением, так же как и поверхностного слоя первой порции металла, что ведет к понижению прочностных характеристик в этой зоне валка и расслоению, т.е. к браку отливок.

Второй недостаток предложенного способа состоит в заливке второй порции наружного слоя металла и внутреннего слоя чугуна на затвердевшую до температуры солидуса поверхность отливки, что приводит к ослаблению металлургического сваривания двух разнородных по химическому составу металлов и появлению расслоения в их граничной зоне.

Третий недостаток прототипа состоит в завышении температуры заливки внутреннего слоя до 1350-1360°С, что сопряжено с образованием высоких напряжений в бочке двухслойного валка и появлением трещин.

Предлагаемое изобретение направлено на создание прочного металлургического сваривания наружного и внутреннего слоев металла с разным химическим составом при изготовлении биметаллических заготовок с осевой полостью, повышение однородности структуры по сечению наружного слоя и соответственно равномерного распределения твердости, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью, включающем нанесение теплоизоляционного покрытия на форму, последовательную заливку наружного и внутреннего слоев металла во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, заливку металла внутреннего слоя осуществляют при температуре, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С, на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус, при этом форму вращают с частотой, соответствующей значениям гравитационного коэффициента 90-110 на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев.

Заливка внутреннего слоя металла с температурой, превышающей температуру ликвидус на 80-100°С на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, способствует прочному соединению двух разнородных по химическому составу металлов.

В этом случае заливаемый жидкий металл внутреннего слоя проникает в твердо-жидкую зону наружного металла при избыточном давлении центробежной силы, превышающей силу тяжести (гравитационный коэффициент) в 90-110 раз:

где - угловая скорость,

R - радиус внутренней поверхности отливки,

g - ускорение силы тяжести.

и образует прочную переходную зону между двумя металлами.

Применение флюса в данном случае становится излишним, так как встречный фронт кристаллизации сравнительно тонкого 0,03 м по отношению к сечению отливки рабочего слоя на его внутренней поверхности не успевает образоваться и поэтому прочность соединения двух металлов соответствует предъявляемым требованиям.

Понижение температуры заливаемого металла внутреннего слоя ниже 80°С над температурой его ликвидуса ведет к расслоению, т.е. несвариванию двух металлов, а повышение сверх 100°С связано с чрезмерным расплавлением наружного слоя и переходом легирующих элементов во внутренние слои и в том числе карбидообразующих, что способствует значительному повышению твердости и затруднениям при механообработке, а также появлению трещин в заготовке.

При заливке металла внутреннего слоя на свободную поверхность наружного слоя с температурой выше его ликвидуса происходит перемешивание и переход во внутренние слои карбидообразующих элементов, оказывающих отрицательное влияние на свойства отливки (повышение твердости внутреннего слоя), а при заливке ниже его температуры ликвидус приводит к несвариванию двух слоев и появлению расслоений в отливке.

При частоте вращения формы, которое соответствует гравитационному коэффициенту меньше 90, диффундирование жидкого металла в двухфазную зону рабочего слоя оказывается недостаточным и сваривание двух металлов с образованием переходной зоны не происходит, а при гравитационном коэффициенте больше 110 появляются трещины на внешней поверхности рабочего слоя.

В таблице приведена оценка качества биметаллических заготовок в зависимости от основных технологических характеристик.

Таблица
Качество биметаллических заготовок в зависимости от основных технологических характеристик.
№ п/п	Повышение температуры внутреннего слоя над температурой ликвидус, °С	Температура внутренней поверхности рабочего слоя	Гравитационный коэффициент	Оценка качества биметаллической заготовки
	70	ликвидус	100	расслоение
1	110	ликвидус	95	повышение карбидообразующих во внутреннем слое появление трещин
2	90	выше ликвидус на 10°С	100	Повышение твердости внутреннего слоя
	90	ниже ликвидус на 10°С	100	расслоение
3	90	ликвидус	80	расслоение
	95	ликвидус	120	трещины
4	90	ликвидус	100	прочное сваривание
	90	ликвидус	100	прочное сваривание

Пример осуществления предлагаемого способа.

Способ опробован в производственных условиях ООО «Орловский литейный завод имени Медведева».

Химический состав наружного (рабочего) слоя следующий:

%: С=3,20; Si=0,51; Mn=0,53; Cr=0,62; Ni=0,83; S=0,02; P=0,02.

Масса заливаемого наружного слоя, находящегося в заливочном ковше, контролировалась крановыми весами в соответствии с необходимостью обеспечения толщины слоя 0,03 м.

Заливка металла производилась в центробежную машину во вращающуюся с горизонтальной осью форму.

Температура заливки наружного слоя составляла 1350°С. Температура жидкого металла замерялась с помощью вольфрам-молибденовой термопары.

Частота вращения изложницы определялась в соответствии с величиной гравитационного коэффициента, равного 100, на поверхности контакта внутреннего и наружного слоев.

Заливка внутреннего слоя из серого чугуна осуществлялась при температуре 1340°С на зеркало жидкого металла внутренней поверхности наружного слоя, имеющего температуру ликвидус 1250°С, т.е. с превышением температуры ликвидус на 90°С.

Температура ликвидус наружного слоя бочки валка определялась с помощью оптического пирометра IMPAC-IS-140, направленного на поверхность металла в изложнице через отверстие в передней крышке формы.

Через 25 мин после окончания затвердевания биметаллической заготовки форма с отливкой передается на стенд для охлаждения и после достижения температуры на ее поверхности 30-40°С отправляется на очистку и дальнейшую механообработку.

Мелющие валки, изготовленные по предлагаемому способу, имеют однородную дисперсную структуру, позволяющую обеспечить равномерное распределение твердости по сечению и длине бочки валка и минимальный спад твердости до 1-2 ед по Шору на расстоянии 0,03 м.

Наряду с этим прочность сваривания наружного и внутреннего слоев, которая определялась с помощью ультразвукового дефектоскопа УД 9812, а также визуально после травления контрольных образцов, отвечала всем требованиям, предъявляемым техническими условиями на мелющие валки.

Таким образом, предлагаемый способ центробежной отливки чугунных биметаллических заготовок с осевой полостью позволяет ликвидировать такой вид брака валков как расслоение между двумя разнородными материалами, обеспечивает однородную структуру рабочего слоя с равномерно распределенной твердостью и низким ее спадом по сечению, что позволяет повысить эксплуатационную стойкость валков в 1,4-1,6 раза по сравнению с традиционной технологией отливки в стационарную форму.