Способ изготовления полой литой металлической заготовки
METHOD FOR MANUFACTURING A HOLLOW CAST METAL BILLET

Изобретение относится к металлургии и литейному производству по изготовлению полых литых металлических заготовок.
Изготовление полой литой металлической заготовки осуществляется путем заливки жидкого металла в подготовленную форму, выдержки залитого металла в форме, которую осуществляют только до образования затвердевшей корочки с толщиной стенки, заданной конструкцией заготовки, после чего проводят слив остатков жидкого металла, а в образовавшуюся полость подают дозированную порцию легкоиспаряемой жидкости с одновременной герметизацией формы, выдержкой до полного затвердевания заготовки под давлением, после чего проводят разгерметизацию формы и удаляют заготовку.
Наиболее близким к заявленному способу изготовления полой литой металлической заготовки является способ, включающий в себя заливку формы жидким расплавом, выдержку залитой формы для затвердевания в ней полой заготовки с применением стержней, извлечение остывшей отливки из полости формы (Специальные способы литья. Степанов Ю.А., и др. М: Машиностроение, 1970, стр. 97-105).
Недостатком такого способа является невысокое качество получаемой заготовки.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении качественной заготовки сложной конфигурации.
Ограничительные признаки: заливку жидкого металла осуществляют в подготовленную форму, выдержку металла в залитой форме, извлечение остывшей отливки из полости формы.
Отличительные признаки: выдержку залитого металла в форму осуществляют только до образования затвердевшей корочки с толщиной стенки, заданной конструкцией заготовки, после чего проводят слив остатков жидкого металла, а в образовавшуюся полость подают дозированную порцию легкоиспаряемой жидкости с одновременной герметизацией формы, выдержкой до полного затвердевания заготовки под давлением, после чего проводят разгерметизацию формы и удаляют заготовку.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом достигается в следующем.
При охлаждении жидкого металла на стенках формы нарастает корочка кристаллизующегося металла. После удаления остатков жидкого металла из формы и ввода в ее полость легкоиспаряемой жидкости, образуется пар, который в герметичной форме создает необходимое гидростатическое давление, посредством которого осуществляется деформация (упрочнение) внутренней поверхности затвердевшей корочки до требуемой величины, и получения тем самым упрочненной внутренней поверхности.
Способ изготовления полых литых металлических заготовок осуществляется следующим образом.
Жидкий металл заливается в подготовленную разъемную форму, внутренняя поверхность которой обработана противоадгезионным покрытием (например, напылением карбидом титана - TiC), выдерживается в ней до получения затвердевшей корочки требуемой величины. После этого остатки жидкого металла удаляются, к литниковой чаше формы устанавливается устройство, обеспечивающее герметизацию формы и осуществляющее дозированную подачу легкоиспаряемой жидкости в полость формы. Жидкость, поступающая в полость герметичной формы, в которой затвердевшая корочка имеет температуру несколько сотен градусов, испаряется, реализуя внутреннее давление в сотни атмосфер, под действием которого металл корочки упрочняется, увеличивается его плотность, а значит и качество металла изготавливаемой заготовки.
Приведем пример реализации такого способа при изготовлении шаровой опоры (чертеж).
После заливки жидкого металла (стали) в разъемную форму 1, в которой образовалась затвердевшая корочка 2 требуемой толщины, ее (форму) помещают под устройство 3, реализующее герметизацию формы 1 штоком 4 и подвижным пуансоном 5, имеющим наконечник 6. Пуансон 5 поднимается вверх до жидкости 7, заполняет цилиндрическую полость в штоке 4, которая закрыта клапаном 8. При движении вниз цилиндрический наконечник 6 входит в цилиндрическую полость штока 4 и происходит впрыскивание легкоиспаряемой жидкости в полость разъемной формы 1, в которой сформировалась корочка 2, имеющая температуру кристаллизации застывающего металла. Испаряясь, жидкость создает гидростатическое давление на корочку, которое контролируется датчиками 9, установленными в теле разъемной формы. При необходимости данная процедура (заливка, впрыскивание жидкости) может производиться многократно до требуемого результата.
В данном процессе для получения пустотелой внутренней поверхности не требуется применение стержней, которые обязательны к применению в прототипе.
Так, например: Возьмем R=4 см - радиус внутренней поверхности получаемой заготовки.
Объем внутренней шаровой полости:
Физические характеристики:
0
0
0
3
-6
3
2
Воздух: плотность γ=1 кг/м = 10 кг/см при давлении Р=1 атм = 1 кг/см и температуре t = 20°С.
3
0
Вода: плотность γ=1 г/см при t = 20°С.
0
3
3
Таким образом, 1 г воды, испаряясь, займет объем V=10 см.
По закону Бойля-Мариотта
где Т(°K)=t+273.
Примем, что один впрыск воды составляет 100 мл = 100 г;
Температура кристаллизации стали 1450°С. Примем, что пар от испарения воды нагревается до 500°С.
0
0
0
3
3
3
Тогда имеем: Р = 1 атм, V = 100⋅10 см, Т = 293°K, V = 268 см, Т = 773°K.
2
Значит, давление на закристаллизовавшуюся корочку будет 984 атм или 9,84 кг/мм, а это давление горячей пластической деформации стали, что приводит к повышению плотности металла заготовки.
Если принять, что диаметр наконечника для ввода жидкости в форму составляет 6 мм, то давление на пуансон составит ≈ 280 кг.