СПОСОБ ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ALUMINIUM ALLOY CASTING METHOD

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейному производству алюминиевых сплавов по газифицируемым моделям, и может быть использовано в авиационной технике и автомобилестроении.
Известен способ литья алюминиевых сплавов (RU 1764768, B22C 9/00, опубл. 30.09.1992), который включает сборку моделей и элементов литниковой системы, имеющих пустотелые полости и газоотводные каналы, нанесение противопригарной краски, формовку в песке, вакуумирование литейной формы и заливку ее металлом при переменном давлении газа над металлом, дважды понижают ниже атмосферного: в начале и в конце заполнения формы металлом. При этом над залитой полостью форм поддерживают избыточное давление газа, превышающее давление на противопригарную краску, но ниже металлостатического давления в форме. Причем в этом случае наносят противопригарную газонепроницаемую краску.
Наиболее близким по технической сущности является способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) алюминиевых сплавов (RU 2285577, B22C 9/04, опубл. 20.10.2006), включающий сборку моделей и литниковой системы, нанесение на модель газопроницаемого противопригарного покрытия толщиной 0,1-0,3 мм, состоящего, мас.%: 2%-ный раствор поливинилбутираля в изопропиловом спирте 38-49, олифа 1-2, маршалит - остальное. Хотя указанный прототип и создает определенные условия для снижения пористости и некоторого увеличения механических характеристик отливок из алюминиевых сплавов, он имеет следующий ряд существенных недостатков:
- состав противопригарного покрытия, хотя и является газопроницаемым, но однако обладает повышенной газотворной способностью (спиртовой раствор ПВБ), что может вызвать склонность к образованию газовых раковин в отливках, получаемых методом литья по газифицируемым моделям;
- входящий в состав противопригарного покрытия спирт является пожароопасным материалом, а отверждение покрытия, основанное на удалении этого растворителя, требует наличия сушила с определенным температурно-временным режимом, что существенно ухудшает технологичность этой операции в литье по газифицируемым моделям;
- способ литья алюминиевых сплавов в прототипе не позволяет коренным образом уменьшить толщину противопригарного покрытия, в результате чего фильтрация газов через него в литье по газифицируемым моделям протекает кинетически более сложно и может вызвать образование литейных дефектов (недоливы, неметаллические включения, газовые раковины и др.), в особенности для сложнопрофильных тонкорельефных отливок ответственного назначения;
- способ литья алюминиевых сплавов прототипа не обеспечивает в должной степени модифицирование и легирование отливок, а следовательно, не позволяет существенно улучшить физико-механические свойства, в том числе при высоких температурах, и качество литых заготовок для возрастающих нужд аэрокосмического комплекса и машиностроения.
Изобретение решает задачу улучшения литейных и физико-механических свойств алюминиевых сплавов и повышения качества получаемых из них литьем по газифицируемым моделям отливок ответственного назначения за счет противопригарного покрытия минимальной толщины, обладающего пониженной газотворностью и увеличенной газопроницаемостью, а также модифицирующим и легирующим воздействием на литейные алюминиевые сплавы.
Это достигается тем, что в способе литья алюминиевых сплавов по газифицируемым моделям, включающем сборку моделей и элементов литниковой системы, нанесение газопроницаемого противопригарного покрытия на модель, формовку модели в литейной форме в песке, заливку литейной формы металлом, согласно изобретению на модель наносят химически отверждаемое противопригарное покрытие толщиной 0,06-0,09 мм с повышенной газопроницаемостью и минимальной газотворностью следующего состава, мас.%:
водный раствор алюмоборфосфатного концентрата
60-65
периклаз порошкообразный
1,5-2,0
циклонная пыль шамотного производства
остальное,
2
при этом при нанесении покрытия на модель на него одновременно воздействуют ультразвуком интенсивностью 5-10 Вт/см.
Противопригарное покрытие указанного состава является химически твердеющим и обеспечивает высокую технологичность операции нанесения покрытия на газифицируемую модель.
2
Покрытие минимальной толщиной 0,06-0,09 мм за счет явления «разжижения» покрытия под действием ультразвука интенсивностью 5-10 Вт/см создает условия для существенного повышения газопроницаемости, что актуально для литья по газифицируемым моделям.
Применение в составе покрытия алюмоборфосфатного концентрата вызывает диффузионное насыщение алюминиевых сплавов бором, что положительно влияет на физико-механические свойства отливок.
Таким образом, покрытие обеспечивает противопригарное и упрочняющее действие на отливки из алюминиевых сплавов, тем самым существенно повышая качество их изготовления литьем по газифицируемым моделям.
Способ осуществляется следующим образом.
2
Для получения отливок из алюминиевого сплава способом литья по газифицируемым моделям производят сборку моделей и элементов литниковой системы. На собранные модели наносят газопроницаемое противопригарное покрытие указанного состава. При подготовке покрытия в водный раствор АБФК засыпают циклонную пыль шамотного производства и перемешивают указанные ингредиенты в течение 10-30 мин до образования однородной суспензии. Затем вводят порошкообразный периклаз, перемешивают 1,5-2 мин. Во время нанесения покрытия на блок моделей воздействуют на указанную систему ультразвуком интенсивностью 5-0 Вт/см. Для этого в ультразвуковую ванну заливают соответствующую суспензию и при воздействии ультразвуком окунают в нее подготовленный блок моделей. Толщина получаемого покрытия - 0,06-0,09 мм. Продолжительность химического отверждения покрытия - 20-30 мин. Затем производят формовку модели в литейной форме в песке. Вакуумируют форму (разрежение 60-120 кПа) и заливают ее алюминиевым сплавом.
Количество водного раствора АБФК в покрытии - 60-65 мас.% обеспечивает требуемую текучесть противопригарного покрытия сложнопрофильной поверхности газифицируемых моделей. Количество порошкообразного периклаза 1,5-2,0% диктуется необходимостью затвердевания покрытия в пределах 20-30 минут (технологически оптимальное время).
Циклонная пыль шамотного производства является отходом производства шамотных изделий и, учитывая его дисперсность (средний размер частиц 5-10 мкм), химический и фазовый составы (оксиды алюминия и кремния, муллит), обладает эффективным противопригарным действием по отношению к заливаемым сплавам. Оптимальное количество циклонной пыли шамотного производства в покрытии диктуется необходимостью получения его требуемой толщины, обеспечивающей минимальную газотворность и максимальную газопроницаемость покрытия.
2
Интенсивность ультразвукового воздействия при нанесении покрытия на модель 5-10 Вт/см обеспечивает эффект «разжижения» покрытия, уменьшение его толщины по сравнению с прототипом до величины 0,06-0,09 мм, а следовательно, повышение его газопроницаемости и улучшение качества изготовления отливок способом литья по газифицируемым моделям.
2
2
При интенсивности меньше чем 5 Вт/см воздействие на указанную систему малоэффективно. При увеличении интенсивности больше 10 Вт/см существенно возрастают энергетические затраты.
Пример 1. Для получения отливок из алюминиевых сплавов АЛ4МС и АЛ32 по газифицируемым моделям производили сборку модели и элементов литниковой системы с газоотводными каналами. На собранные модели наносили газопроницаемые противопригарные покрытия, составы которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
Составы противопригарных покрытий
Наименование ингредиентов
Количество ингредиентов в покрытии, мас.%
Прототип
Заявленный способ
Состав 1
Состав 2
Состав 3
1. 20%-ный раствор ПВБ в изопропиловом спирте
45
-
-
-
2. Олифа
2
-
-
-
3. Пылевидный кварц
Ост.
-
-
-
4. Водный раствор АБФК
-
60
63
65
5. Периклаз порошкообразный
-
1,5
1,8
2,0
6. ЦПШП
-
Ост.
Ост.
Ост.
2
При использовании составов по заявленному способу после введения порошкообразного периклаза и перемешивания в течение двух минут воздействовали на указанную систему ультразвуком интенсивностью 7 Вт/см при непосредственном нанесении на модель покрытия. Сравнительные показатели способов литья алюминиевых сплавов (прототипа и заявленного способа) представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительные показатели способов литья алюминиевых сплавов
Наименование показателей
Прототип
Заявленный способ при разных составах покрытия
Состав 1
Состав 2
Состав 3
1. Газотворность покрытия, см<sup>3</sup>/г
22
3
4,5
5
2. Газопроницаемость покрытия, ед
5
15
22
25
3. Продолжительность затвердевания покрытия, мин
50
30
27
20
4. Толщина покрытия, мм
0,3
0,08
0,087
0,09
5. Прочность отливки из сплава АЛ4МС (σ<sub>В-1</sub>), МПа
385
420
429
433
6. Относительное удлинение отливки из сплава АЛ4МС (δ<sub>1</sub>), %
3
9
8
5
7. Прочность отливки из сплава АЛ4МС при 300°C (σ<sup>T</sup> <sub>B-1</sub>), МПа
310
410
418
425
8. Прочность отливки из сплава АЛ32 (σ<sub>В-2</sub>), МПа
280
320
328
335
9. Относительное удлинение отливки из сплава АЛ32 (δ<sub>2</sub>), %
3
10
7
6
10. Прочность отливки из сплава АЛ32 при 300°C (σ<sup>T</sup> <sub>B-2</sub>), МПа
225
315
318
330
В таблице 2 приведены механические свойства образцов, вырезанных из отливок из сплавов системы Al-Si-Cu-Mg, отлитых по предлагаемому способу и по способу-прототипу.
Механические свойства определялись после термообработки по режиму Т5 для сплава АЛ4МС: нагрев под закалку 3-ступенчатый при температуре 490°C - 4 ч + 500°C - 4 ч + 510°C - 6 ч, закалка в воде 20°C, старение при 160°C - 10 ч, охлаждение на воздухе; для сплава АЛ32 нагрев под закалку 2-ступенчатый при температуре 505°C - 4 ч + 515°C - 6 ч, закалка в воде 20°C, старение при 150°C - 10 ч, охлаждение на воздухе.
2
Пример 2. Изготовление отливок из сплава АЛ32 по газифицируемым моделям осуществляли аналогично примеру 1, варьируя при нанесении газопроницаемого противопригарного покрытия на модели интенсивность ультразвука 5; 8; 10 Вт/см. Использовали состав 2 из табл.1. Влияние интенсивности ультразвука на свойства противопригарного покрытия и отливок представлено в табл.3.
2
Воздействие УЗ интенсивностью 5-10 Вт/см обеспечивает изменение тиксотропных свойств покрытия, уменьшение его вязкости и толщины, обеспечивающей повышение газопроницаемости покрытия, что представляется актуальным в ЛГМ.
Таблица 3
Влияние интенсивности ультразвука на свойства противопригарного покрытия и отливок
Наименование свойств
Заявленный способ при интенсивности УЗ, Вт/см<sup>2</sup>
5
8
10
1. Толщина покрытия, мм
0,08
0,068
0,06
2. Газотворность покрытия, см<sup>3</sup>/г
3
2
1
3. Газопроницаемость покрытия, ед
28
38
42
4. Прочность отливки из сплава АЛ32 (σ<sub>B-3</sub>), МПа
321
328
344
5. Относительное удлинение отливки из сплава АЛ32 (δ<sub>3</sub>), %
12
7
6
Из примеров следует, что для отливок из алюминиевых сплавов, полученных по предлагаемому способу, существенно улучшаются физико-механические свойства и качество их изготовления литьем по газифицируемым моделям.
Учитывая повышенные физико-механические свойства получаемых отливок из алюминиевых сплавов, заявленный способ их изготовления может быть с успехом применен практически в любых отечественных и зарубежных цехах литья по газифицируемым моделям.