способ изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом

Формула изобретения

1. Способ изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом, включающий выплавку исходного расплава, сфероидизирующую обработку магнием, модифицирование в литниковой чаше путем растворения в расплаве зернистого модификатора и заливку жидкого чугуна в литейную форму, состоящую из внешнего бокового кокиля, верхней перекрывающей и нижней опорной полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу, отличающийся тем, что модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур в количестве 0,21 0,6%, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5 1,0), при этом используют литейную форму с охлаждаемым центральным стержнем и с заливочной чашей, снабженной питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающей весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 1 5 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплавы Si-Мg с содержанием 5 9% Mg, Si-Ba с содержанием 22 30% Ba и Si-РЗМ с содержанием 25 35% РЗМ.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что заливочную чашу перегораживают пластинами, выполненными из растворяемого в жидком чугуне материала, например из стального листа, и образующими полости, в которые засыпают модифицирующую смесь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления крупнотоннажных и толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом, преимущественно корпусов контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных отходов.

Известен способ (или применение специальной литейной формы) для отливки толстостенных корпусов контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных отходов из чугуна с шаровидным графитом, включающий сфероидизирующую обработку исходного расплава, модифицирование и заливку чугуна в песчаную охлаждаемую литейную форму, в которой охлаждающие трубы расположены в стенке формы и центрального стержня на расстоянии от охлаждаемой поверхности не более 100 мм (см. патент ФРГ DE 3120221 С3, МКИ B22D 15/00). За счет охлаждения формовочной смеси стенок формы и центрального стержня прежде всего исключают разрушение формы в процессе заливки от высокого давления жидкого металла. За счет охлаждения стенок формы в процессе кристаллизации чугуна сокращают до 80% время затвердевания, что способствует формированию более равномерной структуры металла отливки.

Недостатком известного способа является получение в толстостенной отливке значительной доли включений шаровидного графита неправильной и компактной формы и выделение относительно небольшого числа графитных включений, так как из-за длительной процедуры заливки в форму больших масс жидкого чугуна за большой период времени, проходящий от момента модифицирования в ковше до начала кристаллизации металла, существенно снижается сфероидизирующий эффект магния и уменьшается количество эффективных центров кристаллизации графита, обусловленное затуханием эффекта графитизирующего модифицирования.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ изготовления толстостенных корпусов контейнеров из чугуна с шаровидным графитом (см. патент ФРГ DE 3324 С2, МКИ B22D 15/00), включающий выплавку исходного расплава, сфероидизирующую обработку магнием, модифицирование в литниковой чаше путем растворения в расплаве зернистого модификатора и заливку жидкого чугуна в литейную форму, состоящую из внешнего бокового кокиля, верхней (перекрывающей) и нижней (опорной) полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу.

Недостатками этого способа являются:

- получение в толстостенной отливке значительной доли включений графита неправильной шаровидной и компактной формы из-за существенного снижения сфероидизирующего эффекта магния за большой период времени, проходящий от момента сфероидизирующей обработки в ковше до начала кристаллизации металла в форме;

- повышенное количество неметаллических включений в металле, являющихся продуктами взаимодействия модификатора с компонентами чугуна и поступающих вместе с металлом непосредственно в литейную форму.

Предложенный способ отличается тем, что что модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур в количестве 0,21 0,6%, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5 1,0), при этом используют литейную форму с охлаждаемым центральным стержнем и с заливочной чашей, снабженной питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающей весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 1 5 минут.

В качестве микрокристаллических лигатур используют преимущественно сплавы Si-Mg с содержанием 5 9% Mg, Si-Ba с содержанием 22 30% Ba и Si-РЗМ с содержанием 25 35% РЗМ.

Заливочную чашу перегораживают пластинами, выполненными из растворяемого в жидком чугуне материала, например, из стального листа, и образующими полости, в которые засыпают модифицирующую смесь.

Технический эффект заключается в устранении дефектов структуры литья, измельчении структурных составляющих, получении преимущественно ферритной металлической основы высокопрочного чугуна в литом состоянии и повышении изотропности свойств металла по сечению отливки.

Предложенная комбинация технологии модифицирования, соотношения компонентов модифицирующей смеси и техники литья обеспечивает усиление сфероидизирующего и графитизирующего эффекта, регулируемое по интенсивности охлаждение внутренней полости отливки и выравнивание теплоотвода от ее внутренней и внешней поверхностей в период затвердевания. В конечном результате повышается изотропность структуры и свойств металла по сечению литой толстостенной заготовки.

Модифицирующая смесь в количестве 0,21 0,6% от массы заливаемого жидкого чугуна обеспечивает эффективное воздействие на жидкое состояние чугуна. При этом каждый инградиент этой смеси выполняет свою роль. Сплав Si-Mg усиливает сфероидизирующий эффект, Si-Ba обеспечивает более длительный графитизирующий эффект и снятие отбела, а Si-РЗМ нейтрализует вредное влияние примесных элементов (Ti, Pb, Sn и др.) на формирование шаровидной формы графита за счет связывания их в устойчивые интерметаллические соединения. Присадка модифицирующей смеси в количестве менее 0,21% не обеспечивает эффективного влияния на расплав чугуна, а величина присадки более 0,6% нецелесообразна из экономических соображений.

Гомогенизирующая выдержка расплава в заливочной чаше в течение 1 5 минут способствует полному растворению и взаимодействию присадки с компонентами жидкого чугуна и всплытию на поверхность неметаллических включений. Выдержка менее 1 минуты не обеспечивает вышеуказанного эффекта, а более длительная выдержка приводит к недопустимому снижению температуры расплава.

Размещение модифицирующей смеси в полости, образованной перегораживающими пластинами из растворимого в чугуне материала вблизи места падения струи заливаемого из разливочного ковша металла в сравнении с методом подачи присадки на струю способствует более равномерному и полному послойному растворению смеси по мере протекания жидкого чугуна над смесью, а полное разрушение перегородки к концу процесса заполнения жидким чугуном заливочной чаши обеспечивает и полное опустошение чаши при сливе металла в литейную форму.

На чертеже представлена схема используемой в заявленном способе литейной формы.

Форма содержит нижнюю полуформу 1, установленную на металлическом опорном поддоне, боковой кокиль 2, охлаждаемый центральный стержень 3 из высокотеплопроводной формовочной смеси с внутренней полостью для подачи хладоагента и удаления образующихся газов и верхнюю полуформу 4 с элементами литниково-питающей системы 5, образующие полость для отливки, а также установленную на верхней полуформе заливочную чашу 6 с литниковыми каналами, перекрываемыми стопорными устройствами 7, и полость, образованную перегораживающей пластиной 8 из растворяемого в жидком чугуне материала для размещения модифицирующей смеси 9.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Выплавленный жидкий обработанный магнием перегретый чугун в необходимом количестве из разливочного ковша переливается в заливочную чашу 6 собранной и подготовленной к заливке литейной формы (см. чертеж). По мере поступления жидкий чугун протекает над модифицирующей смесью, послойно растворяя ее и взаимодействуя с ней. К концу процесса заполнения заливочной чаши жидким чугуном перегораживающая пластина полностью растворяется. Далее производится выдержка жидкого чугуна в заливочной чаше, при которой наиболее полно протекают все реакции взаимодействия модифицирующей присадки с компонентами жидкого чугуна, происходит гомогенизация расплава во всем объеме и всплытие в шлак продуктов реакции. После достижения заданной температуры заливки стопорные устройства 7 одновременно поднимаются и жидкий чугун через литниковые каналы сверху заполняет полость формы. При таком способе заливки обеспечивается последующая направленная кристаллизация отливки снизу вверх за счет поступления последних горячих порций металла непосредственно в прибыли и эффективное питание кристаллизующегося металла, исключающее образование усадочных дефектов. Одновременно включают систему подачи хладоагента в охлаждающую полость центрального стержня 3, который забирает избыточное тепло и выравнивает теплоотдачу между внутренними и наружными частями отливки. За счет ускоренного теплоотвода через боковой холодильник, быстро поглощающий выделяемое залитым металлом тепло, а также за счет интенсивного отвода тепла через центральный стержень происходит ускоренное и равномерное по сечению стенки затвердевание отливки.

После охлаждения отливки до заданной температуры подачу хладоагента прекращают, форму разбирают, извлекают отливку и направляют на проведение финишных операций.

Предлагаемый способ использовали для изготовления отливки полномасштабной модели корпуса контейнера из чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ40 для транспортного упаковочного комплекта.

Корпус контейнера имел следующие размеры, мм:

наружный диаметр	1450
внутренний диаметр	740
высота (длина)	4480
толщина стенки	355

Масса отливки 40 тонн, масса требуемого жидкого чугуна для отливки 50 тонн.

Плавку чугуна для изготовления опытной отливки проводили одновременно в двух печах ИЧТ 25, емкостью 25 т. В качестве шихтовых материалов применяли передельный чугун следующего состава, мас.%: C - 4,39; Si - 1.14; Mn - 0,022; S - 0,01; P - 0,045; Cr - 0,01; возврат производства высокопрочного чугуна марки ВЧ40 и стальной лом марки 1А.

Сфероидизирующую обработку проводили в разливочном ковше емкостью 50 т при сливе в него исходного жидкого чугуна поочередно из 2-х печей. В качестве сфероидизирующего модификатора для получения шаровидной формы графита использовали Ni-Mg лигатуру (16% Mg) фракции 15-50 мм в количестве 0,9%. Лигатуру загружали на дно ковша перед выпуском в него из печи жидкого чугуна.

После сфероидизирующей обработки в ковше и удаления образовавшегося шлака жидкий чугун переливали в заливочную чашу подготовленной литейной формы. Заливочную чашу вблизи падения из ковша струи металла перегораживали стальной пластинной и в образующуюся полость засыпали модифицирующую смесь из микрокристаллических лигатур фракций 1 3 мм в количестве ~0,4%, состоящую из 5%-ной Si-Mg лигатуры (0,15%), лигатуры SiBaR22 (0,15%) и лигатуры ФС30РЗМ30 (0,1%) в соотношении 1:1:0,7. Процесс модифицирования проходил спокойно, без пирроэфекта и дымовыделения и заканчивался практически к моменту полного опорожнения разливочного ковша. После гомогенизирующей выдержки в течение 3 минут и достижения температуры расплава в заливочной чаше ~1300°C производили заливку формы через прибыльные полости путем одновременного поднятия 3-х стопоров. Общая продолжительность процесса от момента слива металла из печи в разливочный ковш до заливки в литейную форму составила ~29 мин.

Содержание магния в чугуне на разных этапах отбора проб составило, мас.%:

- в разливочном ковше после сфероидизирующей обработки - 0,08;

- в заливочной чаше перед заливкой чугуна в форму - 0,07;

- в приливной пробе - 0,06;

- в теле отливки 0,045 0,052.

Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в стенке отливки имеют следующие значения:

- временное сопротивление разрыву при растяжении (R_m ) - 320 350 МПа,

- относительное удлинение (A ₅) - 13 18%.