СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ОТЛИВОК МЕТОДОМ ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ
METHOD FOR MAKING MODELS FROM FOAMED POLYSTYRENE TO PRODUCE COMPOSITE CASTS BY USING FULL-MOLD PROCESS

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам литья по газифицируемым моделям, и может быть использовано для получения композиционных отливок.
Из уровня техники известны способы изготовления моделей из пенополистирола, при которых легирующие элементы наносят на гранулы пенополистирола перед их вспениванием в пресс-форме (SU 304049, В22С 7/02. 25.05.1971) или вводят модифицирующие и легирующие добавки в пресс-форму одновременно с гранулами пенополистирола (SU 904872, В22С 7/02. 15.02.1982).
Недостатками данных способов является значительный расход легирующих элементов и легирование всего объема отливки.
Наиболее близким по технической сущности является способ легирования поверхности металлических изделий, включающий закрепление на поверхности модели по меньшей мере одной подложки из металлического материала (RU 2475331С1, 20.02.2013).
Недостатком данного способа является сложность в обеспечении прочного соединения подложки на поверхности модели, особенно в случае ее значительной массы, поскольку крепление подложки осуществляется с помощью клеевых составов.
Все это снижает универсальность способа.
Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.
Повышение универсальности способа выражается в том, что он позволяет, независимо от габаритов и массы подложки, фиксировать ее на поверхности модели посредством выполнения в ней не менее одного фиксирующего элемента.
Способ осуществляется следующим образом.
К поверхности модели из пенополистирола, изготовленной любым известным способом, фиксируют подложку из металлических материалов, содержащую один или несколько фиксирующих элементов. Фиксирование металлической подложки может быть осуществлено различными способами - установкой подложки или ее фиксирующих элементов в пазы, зазоры, технологические углубления, изготовленные в модели, припаиванием, вклеиванием и другими доступными способами. Исходя из требований к отливке подложка может занимать поверхность модели частично не менее 1% площади поверхности модели, к которой она фиксируется, либо иметь размер, превышающий габариты модели. Способ также допускает установку нескольких подложек на одной поверхности модели. Фиксирующие элементы на металлической подложке могут быть выполнены в виде отверстий, в том числе и конических. При формообразовании отливки фиксирующие элементы в виде конических отверстий большим диаметром, установленные к поверхности модели, обеспечат затекание в них металлического расплава, а в виде конических отверстий меньшим диаметром, установленные к поверхности модели, - надежную фиксацию подложки с металлом в отливке. Для лучшей фиксации подложки на поверхности отливки способ предусматривает изготовление фиксирующих элементов на металлической подложке в виде приваренных к ее поверхности элементов - винтов, гаек, прутков, цилиндрических, конических элементов и прочих элементов. В зависимости от требований к отливкам и условиям их эксплуатации, подложки допускается выполнять из железа, алюминия, меди и сплавов на их основе. Применение в качестве металлической подложки стальной низкоуглеродистой стали или алюминиевого сплава позволяет приваривать отливки (со стороны подложки) на стальные и алюминиевые детали соответственно; подложка из меди или латуни позволяет фиксировать отливки на деталях из медных или железоуглеродистых сплавов при помощи пайки. Для обеспечения механического крепления отливок со стороны подложки к другим деталям либо механизмам способ предусматривает наличие у подложки дополнительных, наряду с фиксирующими элементами (позволяющие фиксировать подложку с моделью), также установочных элементов различной конфигурации (отверстия, гайки, болты и другие элементы). Подложки, выполненные из химико-термически обработанных металлических материалов, обеспечивают заданные свойства отливок со стороны подложки - хромирование, алитирование и силицирование придает повышенные коррозионные свойства и жаростойкость, борирование и азотирование - износостойкость и повышенную твердость.
Для создания переходного слоя на границе металлическая подложка - заливаемый металл данный способ предусматривает нанесение легирующих элементов или соединений в виде пасты, краски, пудры, порошков на поверхность подложки слоем не менее 0,1 мм. С целью экономии легирующих элементов способ предусматривает их нанесение не на всю площадь подложки. Для улучшения фиксации подложки и металла способ допускает нанесение легирующих элементов только на фиксирующие элементы подложки.
Способ осуществляется следующим образом.
К поверхности модели из пенополистирола, изготовленной любым известным способом, фиксируют подложку из металлических материалов, содержащую один или несколько фиксирующих элементов, на поверхность которой дополнительно наносят легирующие элементы или соединения в виде краски, пасты, пудры, порошков, слоем не менее 0,1 мм. При заливке моделей металлическими расплавами легирующие элементы, нанесенные на подложку, вступают в физико-химическое взаимодействие с металлическим расплавом, формируя переходный слой в отливках на границе металлическая положка - заливаемый металл. С целью формирования переходного слоя, обеспечивающего лучшую фиксацию металлической подложки с металлом в отливке, способ допускает наносить легирующие элементы не менее чем на 0,1% площади подложки либо только на фиксирующие элементы металлической подложки. При заливке моделей металлическими расплавами металлическая подложка нагревается до температур протекания процессов диффузионного насыщения легирующими элементами, что приводит к формированию переходного слоя в отливке. В зависимости от марки заливаемого расплава и требуемых свойств производят выбор легирующих элементов либо их сочетаний. Так, при использовании стальной подложки с заливкой железоуглеродистыми сплавами легирующие элементы в виде ферросплавов обеспечат формирование переходного слоя, прочно связанного с подложкой и заливаемым металлом в отливке; бор, углерод, хром, марганец способствуют формированию переходного слоя повышенной твердости. При заливке моделей алюминиевыми и медными сплавами применение в качестве легирующих элементов алюминия, кремния, меди и латуни формирует в отливке прочно связанный с металлической подложкой и заливаемым расплавом переходный слой. Окрашивание металлической подложки либо ее фиксирующих элементов тепловыделяющими составами, например на основе термита или пудры алюмо-магниевой, позволяет компенсировать теплопотери при контакте расплава с металлической подложкой, позволяя изготавливать качественные отливки.
Для формирования переходного слоя в отливках на границе металлическая подложка - заливаемый металл при фиксировании подложки к поверхности модели методом приклеивания способ предусматривает введение в клеевой состав легирующих элементов или соединений в виде порошков, пасты, пудры, которые при взаимодействии с расплавом в процессе изготовления отливок образуют переходный слой за счет процессов физико-химического взаимодействия. Для получения комплекса свойств способ допускает вводить в клеевые составы легирующие элементы или соединения в различных сочетаниях.
Способ осуществляется следующим образом.
В клеевые составы производят добавку легирующих элементов или соединений в виде порошка, пасты или пудры, после чего данные составы используют для фиксации металлической подложки, содержащей один или несколько фиксирующих элементов, к поверхности модели из пенополистирола, изготовленной любым известным способом. При заливке моделей происходит растворение и (или) физико-химическое взаимодействие легирующих элементов или соединений с металлическим расплавом (или с отдельными компонентами расплава), приводящее к получению переходного слоя в отливках, имеющего отличный от объема металла фазовый и химический состав, поверхностный слой в зависимости от легирующих элементов или соединений, а также заливаемого расплава, может обладать различными свойствами, в зависимости от требований, предъявляемых к отливкам. Так, добавки в клеевые составы кремния и ферросилиция на отливках из железоуглеродистых сплавов и стальной подложке способствуют формированию переходного слоя повышенной пластичности исходя из высокой графитизирующей способности кремния и ферросилиция; углерод, бор, хром, ферросплавы (ферробор, ферротитан, феррохром и др.) придают поверхностному слою повышенную твердость; фосфористая медь обеспечивает лучшее сцепление стальной подложки и заливаемого железоуглеродистого расплава в отливках, поскольку используется при пайке деталей, в том числе и стальных. При изготовлении композиционных отливок из меди, алюминия и сплавов на их основе для улучшения сцепления металлической подложки и заливаемого расплава в отливках целесообразно вводить в клеевые составы медь, алюминий, кремний, цинк и латунь. Добавки тепловыделяющих составов позволяют компенсировать теплопотери, возникающие при контакте расплава с металлической подложкой в момент заливки, что позволяет обеспечить проливаемость отливок. Кроме того, тепловой эффект, возникающий при их использовании, способствует формированию переходного слоя, прочно связывающего металлическую подложку и заливаемый расплав в отливках. Добавку легирующих элементов или соединений в клеевые составы целесообразно проводить в пределах от 1 до 99% (по массе). При добавлении менее 1% легирующих элементов или соединений полученный переходный слой оказывается неэффективным, а добавка более 99% экономически не целесообразна. Если требуется получить комплекс свойств переходного слоя, то производится добавка легирующих элементов или соединений в различных сочетаниях. Например, для отливок из железоуглеродистых сплавов со стальной подложкой добавка меди в сочетании с бором, ферробором или хромом формирует у поверхностного слоя повышенную твердость в сочетании с высокой теплопроводностью, а алюминия с кремнием или ферросилицием - повышенную пластичность и высокую теплопроводность.
После изготовления моделей путем фиксирования металлической подложки, содержащей не менее одного фиксирующего элемента на поверхности модели из пенополистирола, модели окрашивают противопригарным покрытием (краской), после высыхания которого их помещают в контейнер (опоку) и засыпают опорным материалом. Слой противопригарного покрытия предотвращает окисление поверхностей металлической подложки, не контактирующих с расплавом при заливке моделей. Далее объем модели заполняют металлическим расплавом.
Примеры конкретного исполнения
Пример 1. Модели изготавливали путем вырезания пенополистирола из блоков по требуемым геометрическим размерам. Стальная подложка толщиной 10 мм содержала в качестве фиксирующих элементов приваренные болты М8. Сборку модели проводили путем фиксирования стальной подложки на поверхности модели, которая содержала углубления под фиксирующие элементы подложки. Модели заливали расплавом хромистого чугуна марки ЧХ 15. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла за счет наличия фиксирующих элементов на поверхности подложки.
Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве фиксирующих элементов на поверхности подложки выступали приваренные и загнутые стальные прутки диаметром 4 мм. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла за счет наличия фиксирующих элементов на поверхности подложки.
Пример 3. То же, что в примере 1, только в качестве фиксирующих элементов подложки служили конические отверстия, меньшим диаметром примыкающие к поверхности модели из пенополистирола. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла за счет затекания металла в фиксирующие элементы (конические отверстия) на поверхности подложки.
Пример 4. То же, что в примере 1, только на фиксирующие элементы подложки (болты М8) дополнительно наносили термитный состав. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла как за счет наличия фиксирующих элементов на поверхности подложки, так и за счет образования переходного слоя при взаимодействии термитного состава с заливаемым расплавом.
Пример 5. Модель теплообменника с фигурными ребрами изготавливали путем вспенивания гранул пенополистирола в пресс-форме. Стальная подложка толщиной 4 мм содержала в качестве фиксирующих элементов приваренные меньшим диаметром к поверхности подложки конические элементы. Сборку моделей производили путем приклеивания модели из пенополистирола (с заранее изготовленными в ней пазами под фиксирующие элементы подложки) на стальную подложку. Модели заливали алюминиевым сплавом. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла за счет наличия фиксирующих элементов на поверхности подложки.
Алюминиевый сплав в отливке служит теплообменником, а стальная подложка, выполненная из низкоуглеродистой стали, позволяет осуществлять крепление данного теплообменника на стальные детали путем сварки.
Пример 6. То же, что в примере 5, только на стальную подложку наносили краску, содержащую кремний, а заливку моделей проводили медью. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла за счет наличия фиксирующих элементов на поверхности подложки, а кремний создал переходный слой на стальной подложке, обладающий хорошей жаростойкостью.
Пример 7. То же, что в примере 5, только в качестве подложки выступал алюминиевый лист толщиной 10 мм с приваренными к его поверхности алюминиевыми прутками диаметром 7 мм в качестве фиксирующих элементов. Модели заливали латунью. Полученные композиционные отливки имели прочное сцепление подложки и заливаемого металла как за счет наличия фиксирующих элементов на поверхности подложки, так и за счет частичного растворения алюминиевой подложки в заливаемом расплаве - латуни. Алюминиевая подложка позволяет фиксировать данные отливки на деталях из алюминиевых сплавов путем сварки.