Оснастка для получения отливок при дифференцированном охлаждении

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства и может найти применение при производстве и исследовании затвердевания отливок при различных режимах охлаждения в литейной форме.
Известна форма для получения высококачественных отливок из чугуна, в нижней полуформе которой установлен поддон с рассекателем для подачи газа в полость формы [патент RU 2156673, МПК B22D 27/04, опубл. 27.09.2000].
Однако данная форма не позволяет получать полые отливки типа тел вращения сложной конфигурации, предусматривающие использование стержней, так как по технологии изготовления такие отливки располагаются в двух полуформах (когда расположение отливки только в нижней полуформе технологически невозможно). Использование такой оснастки не представляется возможным, так как охлаждающий газ, влияющий на изменение скорости охлаждения подается только в нижнюю полуформу и влияет на ту часть отливки, которая расположена в нижней полуформе. Часть отливки, которая расположена в верхней полуформе при такой конструкции оснастки с нижним расположением поддона для подачи газа не подвергается изменению скорости охлаждения, так как установленный по плоскости разъема формы стержень препятствует свободному прохождению газа к верхней части отливки.
Известна экспериментальная литейная форма, состоящая из нижней и верхней полуформ, содержащая перфорированную 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. - C. 9-11]. В литейной форме выполнена общая литниковая система на обе отливки.
Однако форма, упомянутая выше, 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. Также она не позволяет получать полые отливки типа тел вращения сложной конфигурации, предусматривающие использование стержней, так как по технологии изготовления такие отливки располагаются в двух полуформах (когда расположение отливки только в нижней полуформе технологически невозможно).
Наиболее близкой является оснастка для исследования затвердевания отливок в лабораторных условиях, с возможностью разнонаправленного воздействия на исследуемые отливки внешних факторов в процессе их изготовления при одних и тех же условиях заливки: температура заливки, химический состав сплава [патент RU 200131, МПК B22C 9/22, B22D 27/04, опубл. 07.10.2020].
Однако такая оснастка не позволяет производить качественное равномерное охлаждение по всему продольному сечению отливок, имеющих конструктивную и технологическую предрасположенность к размещению в форме вертикально, ввиду своей конфигурации. Отливки с такой предрасположенностью будут иметь неравномерную структуру и свойства по сечению снизу вверх.
Также она не позволяет получать полые отливки типа тел вращения сложной конфигурации, предусматривающие использование стержней, так как по технологии изготовления такие отливки располагаются в двух полуформах (когда расположение отливки только в нижней полуформе технологически невозможно). Использование такой оснастки не представляется возможным, так как охлаждающий газ, влияющий на изменение скорости охлаждения подается только в нижнюю полуформу и влияет на ту часть отливки, которая расположена в нижней полуформе. Часть отливки, которая расположена в верхней полуформе при такой конструкции оснастки с нижним расположением поддона для подачи газа не подвергается изменению скорости охлаждения, так как установленный по плоскости разъема формы стержень препятствует свободному прохождению газа к верхней части отливки.
Задачей данного технического решения является разработка конструкции оснастки, позволяющей одновременно исследовать затвердевание контрольных и опытных отливок, ввиду своей конфигурации, имеющих конструктивную и технологическую предрасположенность к вертикальному размещению в литейной форме при одних и тех же условиях заливки (температура заливки, скорость заливки, химический состав сплава) и индивидуальных режимах охлаждения.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемой оснастки, является повышение механических свойств получаемых отливок, а также расширение диапазона проводимых исследований и повышение точности получаемых результатов при исследовании затвердевания отливок, имеющих конструктивную и технологическую предрасположенность к размещению в форме вертикально ввиду своей конфигурации.
Поставленный технический результат достигается при использовании литейной оснастки для получения отливок при дифференцированном охлаждении, содержащей две полуформы с формовочной смесью с наколами для продувки отливок газом, содержащие общую литниковую систему и полости для формирования двух отливок одинаковой формы и размера, изолированные друг от друга теплоизоляционными перегородками, и идентичные камеры для подачи газа, выполненные с возможностью соединения с устройством для подвода и контроля подачи газа, при этом полуформы выполнены с вертикальной плоскостью разъема, камеры для подачи газа установлены на внешних стенках каждой полуформы, напротив полостей для формирования отливок, а содержащаяся в обеих полуформах литниковая система выполнена с возможностью заполнения полостей для формирования отливок снизу вверх.
Предлагаемая оснастка позволяет проводить сравнительные исследования влияния дифференцированных (разнонаправленных) режимов охлаждения на структуру и механические свойства отливок, имеющих конструктивную и технологическую предрасположенность к размещению в форме вертикально ввиду своей конфигурации и получать отливки с повышенными механическими свойствами.
Возможность заполнения полостей для формирования отливок снизу вверх за счет расположения литниковой системы позволяет снизить пористость отливок, что обеспечивает повышение их плотности и однородности. А выполнение разделенных перегородками на автономные области полуформ вертикальными и установка не зависящих друг от друга камер для подачи различных газов сбоков относительно полостей для формирования отливок, позволяет регулировать скорость охлаждения полученных отливок в желаемых направлениях (повышение или замедление скорости охлаждения) и обеспечивает равномерное охлаждение по всему объему отливок, что с одной стороны позволяет одновременно получать идентичные по конфигурации и, при необходимости, различные по свойствам отливки, а с другой стороны - равномерное охлаждение по всему объему обеспечивает однородность структуры отливки и ее свойств. Таким образом, за счет повышения плотности и однородности, обеспечивается повышение механических свойств, т.е. повышение качества отливок.
Для повышения эффективности продувки газом и создания благоприятных условий для его отвода в полуформах предусмотрено выполнение наколов.
На фиг. 1 изображена полуформа оснастки. На фиг. 2 изображен разрез оснастки по плоскости перпендикулярной линии разъема и проходящей по питателям литниковой системы.
Оснастка для получения отливок при дифференцированном охлаждении состоит из формы, разделенной вертикальной плоскостью разъема на две полуформы 1 (вертикальные) с формовочной смесью, состоящей из наполнительной смеси 2 и облицовочной смеси 3, в которых выполнены отводящие газ наколы 4 и подводящие газ наколы 5 для продувки отливок газом. В полуформах 1 с формовочной смесью с помощью теплоизоляционных перегородок 6 образуются изолированные друг от друга области для формирования отливок 7 идентичных по форме и размерам. На внешней стенке каждой из полуформ 1, напротив полостей для формирования отливок 7 расположены автономные камеры 8, снабженные устройствами подвода и контроля подачи газа 9 (газовый редуктор). Количество камер 8 может зависеть от сложности конфигурации отливок, но должно обеспечивать равномерное охлаждение по всему их объему. Минимально достаточным является наличие двух камер 8 на одну полость для формирования отливок 7.
Камеры 8 для подачи газа сообщаются с полостью полуформ 1 через отверстия 10, от которых идут горизонтальные наколы 5 подводящие газ к полостям для формирования отливок 7. Отводящие газ наколы 4 идут вертикально от верхней части полуформы к полости для формирования отливок 7. Отверстия 10 располагаются по всей высоте полостей для формирования отливок 7, а для обеспечения равномерного охлаждения по всему объему отливок 7, в зависимости от их размера и конфигурации, отверстия 10 могут выполняться с различными диаметрами, уменьшающимися или увеличивающимися по высоте. Оснастка снабжена общей для обеих полостей для формирования отливок 7 литниково-питающей системой 11, расположенной в обеих полуформах 1, обеспечивающей заполнение полостей для формирования отливок 7 снизу вверх. Для измерения и контроля температуры к полостям для формирования отливок 7 предусмотрен подвод термопар 12.
Оснастка для исследования затвердевания отливок работает следующим образом.
Расплав с заданными химическим составом и температурой заливается в общую литниково-питающую систему 11, из которой одновременно и с одинаковой скоростью методом сифонной разливки поступает в две, изолированные друг от друга теплоизолирующими перегородками 6 полости для формирования отливок 7, по своей конфигурации, имеющие конструктивную и технологическую предрасположенность к размещению в форме вертикально. Для каждой отливки назначается индивидуальный режим охлаждения исходя из задач исследования.
Режим охлаждения каждой из отливок регулируется газовыми редукторами 9 для контроля и подачи газа. Газ скапливается в камерах 8, расположенных напротив охлаждаемых отливок для обеспечения равномерного охлаждения по всему объему металла отливки 7 и под давлением через специальные отверстия 10 в опоках 13 и наколы 5 поступает через слои наполнительной смеси 2 и облицовочной смеси 3 к отливкам. Наколы 5 обеспечивают эффективный доступ газа к отливке, а наколы 4 вверху каждой полуформы обеспечивают отвод газа.
В результате затвердевание и последующее охлаждение каждой из отливок происходит в индивидуальных условиях. Таким образом, из расплава одного химического состава и единой температуры и скорости заливки можно получить отливки различные по структуре и свойствам.
Пример. Исследование влияния дифференцированных (разнонаправленных) режимов охлаждения на структуру отливок из серого чугуна.
Были проведены сравнительные исследования структуры и механических свойств отливок, имеющих форму втулки с криволинейной формообразующей, полученных в заявляемой оснастке и оснастке прототипе. В оснастке прототипе отливка располагалась в двух полофурмах горизонтально, так как вертикальное расположение в данном случае технологически не представляется возможным, поэтому заливка металла осуществлялась по разъему формы. В заявляемой оснастке размещение отливки было вертикальным, заливка металла осуществлялась снизу вверх, так как данный способ заливки позволяет получать более качественную отливку. Габаритные размеры отливок: высота 120 мм, диаметр 54 мм. Толщина стенки - 12 мм.
1
2
2
Чугун состава, масс. %: углерод - 3,42; кремний - 1,77; марганец - 0,72; фосфор - 0,024; сера - 0,052, железо - остальное, заливали в заявляемую оснастку и оснастку прототип [патент RU 200131, МПК B22C 9/22, B22D 27/04, опубл. 07.10.2020]. Температура заливки в обоих случаях составляла 1400°С ±7. Состав наполнительной смеси: кварцевый песок марки 1КО02 - 94 % (масс.) и бентонитовая глина марки БС1Т - 6 % (масс.). В состав облицовочной смеси сверх массы дополнительно вводилась углеродосодержащая добавка в количестве 3 %. Влажность смеси составляла 3 %.
Расплав указанного химического состава и температуры заливался в общую литниково-питающую систему, из которой одновременно и с одинаковой скоростью поступал в две, полости для формирования отливок, заполняя их снизу-вверх с целью предупреждения образования литейных дефектов в виде засоров, газовых раковин, обеспечивая снижение пористости получаемых отливок, повышение их плотности и однородности.
3
Продувка сравниваемых отливок осуществлялась сжатым воздухом при помощи компрессора производительностью 0,016 м/с под давлением 0,3 МПа от момента заливки формы жидким металлом до достижения температуры - 1100°С.
Отливка, получаемая в заявляемой оснастке, охлаждалась потоком сжатого воздуха с двух сторон за счет соответствующего расположения двух камер для подачи газа. Отливка, получаемая в оснастке прототипе, охлаждалась потоком сжатого воздуха снизу, ввиду ее конструкции с нижним расположением камеры для скапливания и подачи газа.
Такой режим охлаждения в соответствии с работой [патент RU 2742544, МПК B22D 27/04, опубл. 08.02.2021] гарантированно позволяет увеличить дисперсность первичной структуры и сформировать благоприятную аустенитно-графитную эвтектику. Температуру сравниваемых отливок фиксировали при помощи термопар типа - S.
После охлаждения сравниваемых отливок осуществляли выбивку, после чего из их противоположных (нижних и верхних) частей вырезались образцы для проведения металлографического анализа и определения механических свойств - предела прочности на растяжение по ГОСТ 1497-84 и твёрдости по ГОСТ 9012-59. Далее проводился анализ структурной однородности сравниваемых частей отливок, полученных в заявляемой оснастке и оснастке прототипе. Оценивались: дисперсность первичной структуры - расстояние между ветвями второго порядка и площадь, занятая цементитом или цементитом ледебурита в соответствии с ГОСТ 3443-87.
Результаты металлографического анализа и определения механических свойств отливок, полученных в заявляемой оснастке и в оснастке по прототипу приведены в таблице.
Таблица
Оснастка
Расстояние между ветвями второго порядкаλ, мкм
Площадь, занятая цементитом или цементитом ледебурита, %
Предел прочности на растяжение (σ<sub>в</sub>), МПа
Твердость,HB
Низ отливки
Верх отливки
Низ отливки
Верх отливки
Низ отливки
Верх отливки
Низ отливки
Верх отливки
Прототип
24
39
до 2
5-15
290
242
240
263
Заявляемая
25
27
до 2
до 2
287
284
247
252
В отличие от вертикальной продувки снизу, предусмотренной оснасткой прототипом, применение продувки двух полуформ сбоку, предусмотренной заявляемой оснасткой позволило добиться равномерной структуры и механических свойств (предела прочности на растяжение и твердости) в исследуемых образцах, полученных из противоположных (расположенных в разных полуформах) частей отливок.
Следовательно, заявленное устройство позволяет обеспечить наиболее подходящие условия охлаждения отливок (скорость и равномерность охлаждения) для достижения требуемой структуры и механических свойств отливок, а также 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, оснастка для получения отливок при дифференцированном охлаждении, состоящая из двух вертикальных полуформ с формовочной смесью с наколами для продувки отливок газом, образующих изолированные друг от друга теплоизоляционными перегородками полости для формирования отливок одинаковой формы и размера, двух идентичных камер, снабженных устройствами подвода и контроля подачи газа и установленных сбоков относительно полостей для формирования отливок, и общей литниковой системы на обе полости для формирования отливок, расположенной в обеих полуформах с обеспечением заполнения полостей для формирования отливок снизу вверх, обеспечивает повышение механических свойств получаемых отливок, а также расширение диапазона проводимых исследований и повышение точности получаемых результатов при исследовании затвердевания отливок, имеющих конструктивную и технологическую предрасположенность к размещению в форме вертикально ввиду своей конфигурации.