Способ получения высококачественных отливок из серого чугуна
METHOD OF PRODUCING HIGH QUALITY CASTINGS FROM GREY CAST IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения высококачественных отливок из серого чугуна с повышенными прочностными служебными свойствами чугуна, и может быть использовано для изготовления отливок ответственного назначения блоков и головок цилиндров, картеров, а также подобных им отливок с преобладающей толщиной стенок 6-15 мм.
Известен способ литья в песчано-глинистую форму, при котором в форме расположен элемент из формовочной смеси, занимающий определенную часть полости формы, во время и после заливки полости расплавом, по меньшей мере до затвердевания расплава, внутрь элемента непрерывно нагнетают охлаждающий газ (реферат JP 5061019 В4, МПК В 22 С 9/06, опубл. 03.09.1993).
К недостаткам указанного способа при получении отливки из чугуна следует отнести получение разнородной структуры металлической основы по сечению отливки вследствие непосредственного контакта охлаждающего газа и металла в полости формы именно в зоне расположения элемента, в который нагнетается газ.
3
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и достигаемому эффекту является способ получения высококачественных отливок из серого чугуна (RU 2156673, МПК B22D27/04, опубл. 27.09.2000), включающий заливку чугуна в форму, выполненную из песчано-глинистой смеси, продувку формы и выбивку отливок, при котором в состав смеси вводят противопригарные углеродсодержащие добавки в количестве 0,5-2,0%, а продувку осуществляют двукратно: при достижении отливкой температуры 1180 - 1120°C форму продувают воздухом или воздухом, обогащенным кислородом, в соотношении не более чем 5:1, в течение 30-200 с, обеспечивая удельный расход атмосферного кислорода 0,02-0,08 нм/мповерхности отливки, а в интервале температур отливки от 800 до 650°C форму продувают воздухом или водовоздушной смесью.
Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает образование мелкодисперсной дендритной структуры первичного аустенита крупногабаритных отливок с преобладающей толщиной стенки 6-15 мм.
Задачей данного изобретения является разработка конкурентоспособного технологического процесса литья, предотвращающего выделение эвтектических карбидов, влияющих на склонность чугуна к отбелу.
Техническим результатом данного изобретения является упрощение способа получения высококачественных отливок из серого чугуна при сохранении качества чугунных отливок.
3
2
Технический результат достигается в способе получения высококачественных отливок из серого чугуна, включающем заливку чугуна в литейную форму, выполненную из влажной песчано-глинистой смеси с противопригарными углеродсодержащими добавками, продувку литейной формы сжатым воздухом с удельным расходом атмосферного кислорода 0,03-0,07 нм/м поверхности отливки и выбивку отливки, при этом используют литейную форму с содержанием 0,5-3 масс.ч. экзотермических углеродосодержащих добавок, а продувку литейной формы осуществляют однократно с момента залива чугуна до достижения отливкой твердого состояния.
Существенным отличительным признаком предлагаемого способа является однократная непрерывная продувка формы сжатым воздухом с момента заливки расплава и формирования мелкодисперсных дендритных кристаллов первичного аустенита вплоть до окончания эвтектического превращения с формированием графитной эвтектики (достижение отливкой твердого состояния). Такой способ воздействия на формовочную смесь в сочетании с заявленным составом литейной формы обеспечивает высокое качество отливок и не требует ни контроля за процессом затвердевания после эвтектического превращения расплава, ни дальнейшего воздействия на процесс с целью корректировки затвердевания отливки. Это позволяет упростить процесс, исключив из него дополнительные трудозатраты и ресурсы: проведение дополнительных операций для контроля температуры и времени охлаждения чугуна и повторную продувку формы.
3
2
Продувка формовочной смеси сжатым воздухом ведется при удельном расходе кислорода 0,03-0,07 нм/м. Температура формовочной смеси серого чугуна в момент заливки составляет 1300ºС ± 15ºС, температура формирования графитной эвтектики − 1100ºС ±  15ºС.
Регулируемое охлаждение отливки в литейной форме осуществляется за счет продувки сжатым воздухом. Подача сжатого воздуха одновременно с заливкой литейной формы жидким чугуном обеспечивает увеличение скорости охлаждения расплава в интервале дендритной кристаллизации первичного аустенита, что увеличивает дисперсность дендритного каркаса структуры чугуна. При этом происходит парообразование влаги литейной формы (за счет теплоты, выделяемой отливкой) и постепенное насыщение ее горячим кислородом воздуха, что инициирует процесс горения экзотермических углеродосодержащих добавок, входящих в состав литейной формы (в конце дендритной кристаллизации). В результате процесса экзотермического горения углеродосодержащих добавок происходит выброс большого количества тепловой энергии, которая замедляет скорость охлаждения отливки в интервале эвтектического превращения, что увеличивает графитизацию чугуна и способствует формированию графитной эвтектики.
Заявленный формат продувки формы позволяет создать условия для протекания экзотермической реакции горения углеродсодержащих добавок в оптимальном режиме, что обеспечивает замедление скорости эвтектической кристаллизации и снижение степени переохлаждения чугуна, предотвращая образование эвтектических карбидов (ледебурита) и отбел отливок.
Таблица
Примеры
Режимы продувки
Количество введенной УД, %
Свойства металла отливок
1 продувка
2 продувка
Удельный расход кислорода, нм<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>
Температура отливки, ºС
Удельный расход кислорода, нм<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>
Температура отливки, ºС
Твердость (HB)
Предел прочности на разрыв (σ<sub>в</sub>),<sub></sub>Н/мм<sup>2</sup>
Показатель качества, <img file="00000001.jpg" he="9" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Расстояние между ветвями 2 порядкаλ, мкм
в начале продувки
в конце продувки
в начале продувки
в конце продувки
1
0,04
1300
1100
0,5
257
238
0,92
23
2
0,03
1300
1100
-
1,0
243
241
0,99
22
3
0,05
1300
1100
-
1,5
237
248
1,04
20
4
0,07
1300
1100
-
2,0
252
249
0,98
21
5
0,06
1300
1100
-
3,0
227
271
1,18
20
Прототип
0,08
1180
1120
0,08
800
650
1,0
245
258
1,05
26
Контроль
-
-
-
-
-
-
-
248
240
0,96
27
Пример осуществления способа получения высококачественных отливок из серого чугуна.
Пример 1. По предлагаемому способу была получена отливка из доэвтектического чугуна состава, масс.%: углерод - 3,48; кремний - 2,73; марганец - 0,77; фосфор - 0,055; сера - 0,039, железо – остальное).
2
2
Отливку получали в литейной форме, выполненной из 6 масс.ч. бентонитовой глины БС1Т, 94 масс.ч. кварцевого песка марки 2К2О02, 0,5 масс.ч. экзотермических углеродосодержащих добавок (УД) и 3 масс.ч. воды. Литейная форма, состоящая из двух полуформ, в сборе герметично устанавливалась на поддон (ресивер).
3
2
Шихту доэвтектического серого чугуна указанного выше состава расплавляли в среднечастотной индукционной нагревательной установке «ИПП-15». Затем жидкий чугун при температуре 1300ºС заливался в сырую песчано-глинистую литейную форму. Одновременно с заливкой жидким чугуном литейной формы в ресивер подавали сжатый воздух при расходе атмосферного кислорода 0,04 нм/м. При достижении отливкой твердого состояния продувка завершалась. Температуру начала (1300ºС) и конца (1100ºС) продувки фиксировали термопарой типа “A” (ВР5/ВР20).
Из отливки вырезали образцы для металлографических исследований и механических испытаний. Параметры способа по примерам 2-5 на варьирование величиной избыточного давления продувки, количества введенных экзотермических углеродосодержащих добавок, а также данные, характеризующие условия и результаты испытаний чугуна отливки, представлены в таблице (приведены значения, полученные как средние по результатам не менее трех опытов). Контрольная отливка изготавливалась в соответствии с составом чугуна по примеру 1 и заливалась в литейную форму, изготовленную без использования УД и охлаждалась в штатном режиме (без продувки воздухом и без регулирования скорости охлаждения).
Дисперсность структуры первичного аустенита оценивалась стандартным параметром λ - расстоянием между ветвями 2 порядка дендритов.
Из данных таблицы видно, что предлагаемый способ позволяет повысить дисперсность дендритного каркаса структуры чугуна и обеспечить максимальное увеличение продолжительности эвтектического превращения, в результате чего повышение предела прочности чугунных отливок и исключение образования эвтектических карбидов идет при меньшем количестве операций и с меньшими затратами ресурсов, что обеспечивает упрощение способа при сохранении качества чугунных отливок.
Подача меньшего количества воздуха не обеспечивает своевременную инициацию процесса горения экзотермических углеродосодержащих добавок, а большее количество воздуха вызывает мгновенное выгорание экзотермических добавок, что не обеспечивает замедления скорости охлаждения в эвтектическом интервале температур. Введение УД больше заявленного диапазона приводит к браку отливок.
3
2
Таким образом, способ получения высококачественных отливок из серого чугуна, включающий заливку чугуна в литейную форму, выполненную из влажной песчано-глинистой смеси с содержанием 0,5-3,0 масс.ч. экзотермических углеродосодержащих добавок, однократную продувку литейной формы сжатым воздухом с удельным расходом атмосферного кислорода 0,03-0,07 нм/м поверхности отливки с момента залива чугуна до достижения отливкой твердого состояния и выбивку отливки, является простым и обеспечивает высокое качество чугунных отливок.