СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОТЛИВОК
METHOD OF CAST SURFACE MODIFICATION

Изобретение относится к области получения литых изделий из металлов и сплавов, в частности к производству отливок литьем по газифицируемым моделям.
Известен способ получения отливок по газифицируемым моделям, включающий изготовление модели из пенополистирола, помещение ее в контейнер (опоку), заполнение пространства между моделью и стенками контейнера опорным материалом (сухим песком или другим сыпучим огнеупорным материалом), уплотнение песка вибрацией и подведение к модели жидкого металла (Nellen Heinrich. Method for production of casting moulds. Патент Англии, МПК В22с, №1127327, заявл. 24.09.65, опубликовано 18.09.1968).
Недостатком данного способа является высокая вероятность пригорания частиц опорного материала к поверхности отливки и образования пригара, что не только снижает качество получаемого литого изделия, но и требует дополнительной его обработки. Вероятность образования пригара увеличивается с увеличением температуры плавления заливаемого металла. В наибольшей степени этот недостаток проявляется при литье из жаропрочных сплавов, имеющих температуру заливки до 2000К.
Известен также способ получения отливок по газифицируемым моделям, в котором для снижения эффекта образования пригара перед помещением модели в контейнер на ее поверхность наносят антипригарное покрытие в виде специальных красок из неметаллических огнеупорных материалов. Толщина покрытия может составлять 0,25-1,50 мм (Шуляк B.C., Рыбаков С.А., Григорян К.А. Производство отливок по газифицируемым моделям. / Под ред. проф., д.т.н. В.С.Шуляка. - М.: МГИУ. - 2001. - С 76-85).
Недостатком применения антипригарного покрытия такого состава является снижение скорости удаления продуктов разложения модели, образующихся при ее взаимодействии с жидким металлом. Результатом этого является изменение элементарного состава сплава в поверхностном слое отливки. Так доля углерода в поверхностном слое может увеличиваться до одного процента, а толщина слоя с повышенным углеродом достигает нескольких миллиметров.
Данный способ по совокупности признаков: формирование изделия методом литья по газифицируемым моделям с нанесением на поверхность модели противопригарного покрытия принят за прототип.
Изобретение решает задачу модифицирования поверхности отливок, в частности снижения содержания углерода в приповерхностном слое отливки.
Поставленная задача решается тем, что в способе модифицирования поверхности литых металлических изделий, включающем формирование изделия методом литья по газифицируемым моделям с нанесением на поверхность модели противопригарного покрытия, согласно изобретению элементы модификатора включаются в противопригарный слой или наносятся на поверхность модели в виде пасты, краски или пудры.
Задача решается также тем, что в качестве модификатора используют легирующие поверхность изделия элементы 3-8 групп таблицы Менделеева (Al, Si, Ti, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Re, Ni, Co).
Задача решается также тем, что в качестве модификатора используют элементы и соединения, снижающие содержание углерода.
Задача решается также тем, что в качестве модификатора используют соединения, способные при нагреве выделять газы, реагирующие с удаляемыми элементами.
Задача решается также тем, что на поверхность модели наносят модификатор, способный к тепловыделению и дополнительному прогреву труднозаполняемых металлом частей отливки и литниково-питающей системы.
Задача решается также тем, что в качестве модификатора используется тепловыделяющая смесь, содержащая легирующие и модифицирующие добавки.
Задача решается также тем, что глубина модифицирующего слоя определяется толщиной наносимого на модель покрытия и крупностью используемых в нем порошкообразных материалов.
Задача решается также тем, что модифицирующая обмазка имеет многослойную структуру, обеспечивающую градиент содержания элементов по толщине.
Задача решается также тем, что в качестве модификатора используют порошкообразные материалы, имеющие крупность от 3 нм до 10 мкм.
Предложенной способ заключается в том, что находящиеся на поверхности модели частицы модификатора могут реагировать с образующимися при разложении вещества модели углеродосодержащими газами и тем самым снижать содержание углерода в поверхностном слое отливки. Находящиеся на поверхности модели частицы модификатора могут растворяться в приповерхностном слое отливки, изменяя тем самым элементный состав поверхностного слоя в требуемую сторону. Находящиеся на поверхности модели или в слое противопригарного покрытия элементы или соединения могут при температуре кристаллизации основного металла реагировать между собой с дополнительным тепловыделением, обеспечивающим дополнительный прогрев быстро охлаждаемых частей отливки и литниково-питающей системы, что в свою очередь создаст условия для получения более плотной отливки и позволит избежать дефектов усадочного происхождения. При градиентном расположении элементов по толщине противопригарного покрытия возможно сочетание эффектов легирования приповерхностного слоя отливки, обезуглероживание его и дополнительный прогрев отдельных частей отливки и литниково-питающей системы. Например, частицы легирующего элемента могут располагаться на поверхности модели, элементы и соединения, поглощающие углеродосодержащие газы в слое противопригарного покрытия, прилегающем к поверхности модели, а тепловыделяющие соединения и смеси на внешней поверхности покрытия.
Изменением размера частиц модификатора можно управлять глубиной модифицированного слоя. Мелкие (от 3 нм) частицы быстро растворятся в жидком металле и, соответственно, их элементы способны диффундировать на значительную глубину приповерхностного слоя затвердевающего металла. Более крупные (до 10 мкм) успеют раствориться только частично и их элементы, диффундируя в уже затвердевшем металле, проникнут на меньшую глубину, но создадут более насыщенный слой.
Технический результат: получение отливок с заданным по составу поверхностным слоем изделия (модифицированной поверхностью), возможность изготавливать отливки повышенной сложности с труднозаполняемыми частями и переходами тонких сечений в толстые, а также возможность использования элементов литниковой системы в качестве прибылей в целях повышения выхода годного литья.
Примеры конкретного исполнения.
Пример 1. На поверхность газифицируемой модели нанесли порошкообразный кремний в виде пудры с размером частиц около 1 мкм. Модель поместили в контейнер (опоку) и засыпали опорным материалом. Объем модели заполнили расплавом алюминиевого сплава АК 7 ч. Поверхностный слой отливки, дополнительно модифицированный кремнием, имел повышенную, по сравнению с сердцевиной, твердость и, следовательно, износостойкость. Глубина модифицированного слоя составила 0,05 мм. Твердость составила НВ 125.
2
2
2
Пример 2. То же, что и в примере 1, но на поверхность модели наносили слой TiH в виде пудры с крупностью 0,5 мкм. Затем все покрывали антипригарным покрытием на основе циркона. Заливку производили сталью 18ХН2МФЛ. Содержание углерода в приповерхностном слое отливки не превысило 0,22%. При этом без применения TiH содержание углерода в приповерхностном слое достигало 0,60%. Содержание углерода в приповерхностном слое снижалось за счет связывания углерода, выделяющегося при термодеструкции модели, водородом из TiH.
2
Пример 3. То же, что и в примере 2, но в качестве пудры использовали смесь нанопорошка Мо крупностью 3 мкм и гидрида титана крупностью 0,5 мкм. Воздействие данных соединений на углеродистую сталь привело к снижению содержания углерода в приповерхностном слое до 0,24%. Кроме того, вследствие поверхностного модифицирования основного металла молибденом на глубину 5 мкм, полученная отливка обладала повышенной (на 20%) коррозионной стойкостью к парам серной кислоты. Содержание углерода в приповерхностном слое снижалось за счет связывания углерода, выделяющегося при термодеструкции модели, водородом из TiH.
Пример 4. То же, что и в примере 2, но на противопригарное покрытие наносился слой пасты, содержащей смесь порошков алюминия и окиси железа. Паста наносилась только на литники - питатели. Прогрев литников позволил подать в отливку металл с повышенной температурой и увеличить время до затвердевания металла в литниках. В результате питание отливки металлом для компенсации усадочных процессов производилось через литники под действием металлостатического давления. Необходимость в применении прибылей отпала и выход годного увеличился на 20%.
Пример 5. То же, что и в примере 2, но поверх пудры из вольфрама, крупностью 3 нм и титана, крупностью 0,5 мкм, наносили слой пасты, содержащей частицы никеля и хрома, крупностью 3 мкм. Затем наносили слой антипригарного покрытия, в состав которого вводили порошок алюминия крупностью 10 мкм. Внешнюю поверхность антипригарного покрытия покрыли тепловыделяющей пастой, содержащей смесь порошков ламповой сажи и титана крупностью 0,1-0,5 мкм. Полученная отливка из стали 40Х24Н12СЛ имела повышенную на 20% жаропрочность из-за увеличенной поверхностной прочности и устойчивости к образованию поверхностных трещин. Глубина модифицированного слоя составила 18 мкм. При этом дополнительный разогрев металла позволил в ряде мест отливки получить толщину стенки 3 мм.
Пример 6. То же, что и в примере 5, но на поверхность модели наносили пасту, содержащую ванадий, крупностью 3 нм, а поверх нее пасту, содержащую кобальт, крупностью 0,5 мкм. Затем наносили слой антипригарного покрытия, в состав которого вводили порошок алюминия крупностью 10 мкм. Внешнюю поверхность антипригарного покрытия покрыли тепловыделяющей пастой толщиной 1-2 мм, содержащей смесь порошков ламповой сажи и титана крупностью 0,1-0,5 мкм. Полученная отливка из стали 155Х12М2Л имела повышенную на 20% износостойкость. Глубина модифицированного слоя составила 120 мкм. При этом поверхностный слой был обогащен кобальтом, что обеспечило его повышенную твердость, а при поверхностный слой обогащен ванадием, что дало возможность увеличить вязкость отливки в целом. Дополнительный разогрев металла позволил увеличить модифицированный слой в отливке за счет дополнительного прогрева ее и увеличения диффузии ванадия и кобальта в основной металл.
Пример 7. То же, что и в примере 1, но на поверхность газифицируемой модели нанесли порошкообразный ниобий в виде пудры с размером частиц около 1 мкм. Затем наносили слой антипригарного покрытия на основе маршаллита. Модель помещали в контейнер (опоку) и засыпали опорным материалом. Объем модели заполнили расплавом жаропрочной стали 40Х24Н12СЛ. При этом поверхностный слой отливки, дополнительно модифицированный ниобием, имел повышенную, по сравнению с сердцевиной жаропрочность. Глубина модифицированного слоя составила 0,04 - 0,07 мм. Вследствие этого и вся отливка имела повышенную прочность при температурах выше 700°С (970К).
Пример 8. То же, что и в примере 7, но на поверхность модели наносили слой порошка из металлического марганца в виде пудры с крупностью 0,05-0,08 мкм. Затем все покрывали антипригарным покрытием на основе маршаллита. Модель помещали в контейнер (опоку) и засыпали опорным материалом. Заливку производили чугуном. Так как марганец является элементом, тормозящим графитизацию, поверхность отливки имела повышенное содержание цементита и, следовательно, повышенную твердость HRC 53…57 и, как следствие, стойкость к абразивному износу. При этом без применения марганца твердость поверхности металла не превышала HRC 43.
Пример 9. То же, что и в примере 7, но на поверхность модели наносили нанокристаллический рений в виде агрегатов размером менее 0,5 мкм. Затем все покрывали антипригарным покрытием на основе маршаллита. Заливку производили сталью 20ХМФЛ для изготовления отливок зубьев ковша экскаватора. При этом поверхностный слой отливки, дополнительно модифицированный рением, имел повышенную, по сравнению с сердцевиной вязкость. Глубина модифицированного слоя составила 0,05-0,09 мм. Так как отливка имела большую вязкость по сравнению с отливкой без поверхностного модифицирования рением, ее работоспособность повышалась на 15%.