ЛИТЕЙНАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства и может найти применение в научно-исследовательских лабораториях для исследования затвердевания отливок при различных режимах охлаждения литейной формы.
Известна форма для получения высококачественных отливок из чугуна, в нижней полуформе которой установлена съемная крышка с рассекателем для подачи газа в полость формы [патент RU 2156673, МПК B22D 27/04, опубл. 27.09.2000].
Однако данная форма не позволяет одновременно заливать и исследовать две отливки с индивидуальными режимами охлаждения, например, заливку опытной и контрольной отливок с общей литниково-питающей системой.
Известна экспериментальная литейная форма, состоящая из нижней и верхней полуформ, содержащая продувочную плиту (установленную на поддоне), штуцер для подвода воздуха и две отливки с термопарами, одна из которых снабжена жестяным жакетом для изоляции отливки от фильтрующего воздуха, а другая отливка выполнена с реакционным слоем формовочной смеси [Исследование режимов охлаждения чугунных отливок / Л.В. Костылева, В.А. Ильинский, Н.И. Габельченко, А.В. Пожарский, В.А. Гулевский // Литейное производство. - 1999. - №2. - С. 9-11]. В литейной форме выполнена общая литниковая система на обе отливки.
Однако известная форма позволяет исследовать затвердевание отливок только при одинаковых задаваемых условиях воздействия на исследуемые отливки внешних факторов. Кроме этого, условия затвердевания отливки с жестяным жакетом не могут быть сравнимы со штатным режимом затвердевания отливки в песчано-глинистой форме из-за замедленного теплоотвода, жакет будет задерживать уходящее тепло. В результате у отливки будет замедленное охлаждение, что негативно сказывается на корректности полученных результатов.
Наиболее близкой является литейная оснастка для исследования затвердевания отливок, содержащая поддон, на котором установлены верхняя и нижняя полуформы с термопарами и формовочной смесью, образующей полости для формирования двух отливок одинаковой формы и размера, и общую литниковую систему, выполненную в верхней полуформе [патент RU 182267, В22С 9/02, 09.08.2018].
Однако устройство предназначено для исследования определенных характеристик и не позволяет проводить исследования с разнонаправленными воздействиями на исследуемые отливки внешних факторов: температура заливки, химический состав сплава.
Задачей данного технического решения является разработка конструкции литейной оснастки для исследования затвердевания отливок в лабораторных условиях, с возможностью разнонаправленного воздействия на исследуемые отливки внешних факторов при одних и тех же условиях заливки: температура заливки, химический состав сплава.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемой литейной оснастки, является расширение арсенала устройств для исследования затвердевания отливок, расширение диапазона проводимых исследований и повышение точности получаемых результатов.
Поставленный технический результат достигается при использовании литейной оснастки для исследования затвердевания отливок, содержащей поддон, на котором установлены верхняя и нижняя полуформы с термопарами и формовочной смесью, содержащие полости для формирования двух отливок одинаковой формы и размера, и общую литниковую систему, выполненную в верхней полуформе, причем поддон выполнен в виде двух изолированных друг от друга отсеков и перфорированной плиты, на которой установлены упомянутые полуформы с формовочной смесью, при этом полуформы выполнены с наколами в формовочной смеси для продувки отливок газом, каждый из отсеков выполнен с возможностью соединения с устройством для подвода и контроля подачи газа, а нижняя полуформа снабжена теплоизолирующей перегородкой, разделяющей нижнюю полуформу на два идентичных автономных сегмента.
Предлагаемая оснастка позволяет проводить исследование влияния дифференцированных режимов охлаждения на структуру и механические свойства чугунных отливок.
Разделение нижней полуформы на два автономных сегмента, а также наличие двух, не зависящих друг от друга отсеков для подачи различных газов позволяет регулировать скорость охлаждения получаемых отливок в желаемых направлениях (повышение или замедление скорости охлаждения). Для повышения эффективности продувки газом и создания благоприятных условий для его отвода предусмотрено выполнение наколов, как в нижней, так и в верхней полуформах. Так же разделение нижней полуформы на два идентичных автономных сегмента дает возможность использования различных составов наполнительных и облицовочных смесей для изменения теплоотвода и других характеристик.
Литейная оснастка для исследования затвердевания отливок позволяет формовать две отливки - контрольную и опытную, которые располагаются в разных теплоизолированных сегментах нижней полуформы с разным составом формовочной смеси. Контрольная и опытная отливки обеспечиваются разными условиями охлаждения, что позволяет получить точные экспериментальные данные для анализа.
На фиг. 1 изображена литейная оснастка для исследования затвердевания отливок - продольный разрез. На фиг. 2 изображен вид сверху на нижнюю полуформу литейной оснастки для исследования затвердевания отливок. На фиг. 3 показаны кривые охлаждения опытной и контрольной отливок.
Литейная оснастка для исследования затвердевания отливок содержит поддон 1, выполненный в виде двух изолированных друг от друга отсеков 2, снабженных устройствами подвода газа - штуцерами 3 с редукторами 4 для контроля подачи газа. На поддоне установлена перфорированная плита 5 (рассекатель газа) с уплотнителями для герметичной установки литейной формы, состоящей из нижней полуформы 6, разделенной теплоизолирующей перегородкой 7 на два идентичных автономных сегмента, и верхней полу формы 8, образующих полости для формирования отливок 9. Общая литниково-питающая система соединена с обеими полостями для отливок 9, выполненными одинаковой формы и размера и окруженными одинаковыми формовочными (облицовочными) смесями 10 в среде наполнительной смеси 11. Общая литниково-питающая система состоит из расположенных в нижней полу форме 6 питателей 12 и зумпфа 13 и, расположенных в верхней полу форме 8 металлоприемника 14, стояка 15 и воронки 16. В среде облицовочных 10 и наполнительной смеси 11 в полу формах 6 и 8 выполнены наколы 17, обеспечивающие эффективность продувки газом отливок 9. Для контроля скорости охлаждения отливок в полуформах 6 и 8 литейной формы предусмотрен подвод термопар 18.
Литейная оснастка для исследования затвердевания отливок работает следующим образом.
Расплав с заданным химическим составом и температурой заливается в общую литниково-питающую систему, из которой одновременно и с одинаковой скоростью поступает в две, изолированные друг от друга теплоизолирующей перегородкой 7 полости, где и формируются отливки 9. Для каждой отливки 9 назначается индивидуальный режим затвердевания и последующего охлаждения исходя из задач исследования.
Режим охлаждения каждой из отливок 9 регулируется редукторами 4 для контроля и подачи газа. Газ скапливается в отсеках 2 поддона 1 и под давлением сквозь перфорированную плиту 5 поступает через слои наполнительной 11 и облицовочной 10 смеси к отливкам 9. Для обеспечения эффективного доступа газа к отливке и отвода от нее в верхней 8 и нижней 6 полу формах выполнены наколы 17. Контроль кинетики затвердевания металла отливки осуществляется по кривым охлаждения, записанных при помощи термопар 18. Это позволяет оценивать влияние различных условий затвердевания на структуру и свойства получаемых отливок из расплава с заданным химическим составом и температурой заливки.
В результате затвердевание и последующее охлаждение каждой из отливок происходит в индивидуальных условиях. Таким образом, из расплава одного химического состава и температуры заливки можно получить две разных по структуре и свойствам отливки.
Пример. Исследование влияния дифференцированных режимов охлаждения на структуру и механические свойства отливок из серого чугуна.
2
2
Чугун состава, масс. %: углерод - 3,48; кремний - 2,73; марганец - 0,77; фосфор - 0,055; сера - 0,039, железо - остальное). Состав наполнительной смеси 11 - песок Орловского карьера 2К2О02 и бентонитовая глина БС1Т. Влажность смеси составляла 4%.
Чугун заданного состава заливался в заявленную литейную оснастку при температуре 1400°С±10°С. В полостях, образованных нижней 6 и верхней 8 полуформами, формируются отливки 9 (контрольная и опытная), например, диаметром 15 мм, высотой 120 мм.
К одному из отсеков 2 обеспечивался подвод сжатого воздуха, который поступал к опытной отливке 9. Контроль расхода воздуха осуществлялся редуктором 4. Для замедления скорости охлаждения опытной отливки в облицовочную формовочную смесь 10 вводилась экзотермическая углеродосодержащая добавка - мазут топочный М-100 в количестве 3%. Активацию экзотермической добавки проводили сжатым воздухом, который при попадании в полость формы в начальный момент охлаждал ее, увеличивая скорость охлаждения отливки в интервале дендритной кристаллизации, а затем возбуждал реакцию горения добавки, сопровождающуюся выделением тепла. Температуру фиксировали при помощи платина-сплав платины и родия (10% Rh) термопар.
Второй отсек 2 оставался изолированным от продувки изоляционной перегородкой 7, что позволило контрольной отливке 9 затвердевать в штатном режиме.
2
2
По данным эксперимента были построены кривые охлаждения опытной и контрольной отливок. Механические испытания полученных опытной и контрольной отливок показали, что предел прочности металла опытной отливки (270 Н/мм) на 11% превышает предел прочности контрольного образца (240 Н/мм). Анализ микроструктуры показал отсутствие эвтектических карбидов в опытной отливке в отличие от контрольной.
Результаты эксперимента, проведенные на заявленном устройстве, позволяют определить наиболее подходящие условия остывания отливок для достижения требуемых механических свойств, а само устройство расширяет диапазон проводимых исследований и обеспечивает повышение точности получаемых результатов за счет возможности проведения эксперимента в условиях использования сплава единого химического состава (идентичность которого сложно обеспечить при осуществлении эксперимента последовательными заливками) и температуры заливки.
Таким образом, литейная оснастка для исследования затвердевания отливок, состоящая из образующих полости для формирования отливок одинаковой формы и размера верхней и нижней полуформ, с выполненными в них наколами для продувки отливок газом, установленных на перфорированной плите над поддоном, выполненном в виде двух изолированных друг от друга отсеков, каждый из которых снабжен устройством подвода и контроля подачи газа, снабженной термопарами и общей литниковой системой на обе отливки, в нижней полуформе которой выполнена теплоизолирующая перегородка, разделяющая нижнюю полуформу на два идентичных автономных сегмента позволяет расширить диапазон проводимых исследований и повысить точность получаемых результатов.