СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ТРЕБУЕМЫХ УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТИ НА ЗАДАННУЮ ГЛУБИНУ ПРИ ЛИТЬЕ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ, В ЧАСТНОСТИ, БУРОВОГО И РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD OF PRODUCING CASTS WITH PRESET PROPERTIES OF REQUIRED SURFACE SECTIONS TO PRESET DEPTH IN CONSUMABLE PATTERN CASTING, PARTICULARLY, DRILLING AND CUTTING TOOLS

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения отливок с заданными свойствами требуемых участков поверхности на заданную глубину при литье по газифицируемым моделям, в частности бурового и режущего инструмента.
Известен способ получения стали с заданными свойствами путем добавления ферросплавов в индукционную печь при выплавке стали, А.С. №1364644.
Недостатком данного способа является значительный расход ферросплавов, поскольку легирование производят во всем объеме расплава.
Из уровня техники известен способ получения конструкционной цементирующей стали для изготовления лап и шарошек буровых долот, А.С. №1323607.
Недостатком данного способа является низкая эффективность изготовленного бурового инструмента.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения отливок, при котором установка твердосплавных пластин в газифицируемую модель осуществляется путем их вклеивания (RU 2219015 C1, B22D 19/06, 20.12.2003).
Недостатком данного способа является получение отливок, в которых твердосплавные пластины оказываются только механически фиксированными без физико-химического взаимодействия с расплавом, что приводит к неэффективности отливок в работе.
Задачей изобретения является изготовление более эффективного в работе бурового и режущего инструмента и получение отливок с заданными свойствами требуемых участков поверхности на заданную глубину при литье по газифицируемым моделям.
Поставленная задача решается тем, что для придания заданных свойств требуемым участкам поверхности отливки на заданную глубину до 20 мм, не снижая пластичности и ударной вязкости материала, в модель из пенополистирола устанавливают тонкие металлические пластины после химико-термической обработки, толщиной от 0,05 до 3 мм, с постоянным или переменным шагом в зависимости от условий работы деталей. Металлические тонкие пластины содержат максимальное количество необходимых для придания заданных свойств фаз - боридов железа, карбидов хрома, нитридов титана, хрома, циркония и т.п. Насыщение металлических пластин осуществляют по средствам химико-термической обработки любыми известными способами - цементация, азотирование, борирование, хромирование, силицирование, алитирование и т.п. Исходя из сложности деталей, тонкие металлические пластины могут быть заменены металлическими стержнями или заточенными иглами диаметром от 0,05 до 3 мм, имеющими аналогичный состав, которые втыкают в требуемые участки поверхности на заданную глубину в несколько рядов в шахматном порядке. При заливке моделей происходит растворение (частичное или полное) металлических пластин или игл в расплаве. Кроме того, протекают также и процессы физико-химического взаимодействия металлических пластин с расплавом, что приводит к получению однородного легированного слоя за счет процессов диффузии и массопереноса на заданную глубину.
Готовые модели с вставленными пластинами или иглами собирают в модельные блоки, окрашивают газопроницаемой антипригарной краской и сушат. Перед разливкой расплава модельные блоки устанавливают в опоку, засыпают несвязанным формовочным материалом (песком), уплотняют вибрацией, герметизируют и вакуумируют.
Расплав имеет достаточную температуру при заливке и кристаллизации, что способствует диффузионному распределению фаз - боридов железа, карбидов хрома, нитридов титана, хрома, циркония и т.п. из тонких металлических пластин или игл в расплав, что обеспечивает получение заданных свойств требуемых участков поверхности отливки на заданную глубину до 20 мм, не снижая пластичности и ударной вязкости материала. В качестве расплава могут быть использованы стали с высоким и низким содержанием углерода, а также легированные стали.
Для подтверждения получения отливок с заданными свойствами требуемых участков на заданную глубину были отлиты рабочие колеса кавитационной установки из стали 12Х18Н10Т. Наибольший износ при кавитационных процессах испытывают грани перекрывающихся лопаток, поэтому в модель из пенополистирола в рабочую поверхность лопаток установили вставки из стальных пластин толщиной 0,2 мм и иглы диаметром 1,0 мм после цементации с шагом 0,5-0,7 мм и глубиной 10 мм. Пластины и иглы вставляли с переменным шагом в зависимости от загруженности данной зоны рабочего колеса, т.е. шаг пластин и игл увеличивается по мере приближения к центру лопатки от 0,5-0,7 до 5-6 мм. Готовые модели с вставленными пластинами собирают в модельные блоки, окрашивают газопроницаемой антипригарной краской и сушат. Далее модельные блоки устанавливают в опоку, засыпают несвязанным формовочным материалом (песком), уплотняют вибрацией, герметизируют, вакуумируют и заливают расплав. При заливке моделей тонкие стальные пластины и иглы распределились в основном металле за счет процессов растворения, диффузии и массопереноса. Твердость полученного слоя отливки составила 54-58 HRC, глубина - 10-12 мм. Твердость тела отливки составила 18-24 HRC. Повышенная твердость требуемых участков отливки объясняется высоким содержанием углерода С - 1,98-2,10% (по данным химического анализа), который равномерно распределился из цементированных стальных пластин в объем металла на заданную глубину - 10-12 мм.
Также были изготовлены отливки из стали 45 с вставленными стальными пластинами после борирования, твердостью 71÷72 HRC. Металлографические исследования легированного слоя в отливке показали наличие слоя глубиной 8 мм, имеющего отличную от основного металла структуру и твердость (твердость легированного слоя составила 68÷69 HRC, тогда как твердость основного металла находится в пределах 46÷48 HRC). Фазовый анализ легированного слоя показал наличие в нем боридов железа, которые и привели к увеличению твердости. Получение равномерного легированного слоя заданной глубины и состава свидетельствует о растворении пластин в расплаве, а данные фазового анализа говорят о физико-химическом взаимодействии борированных пластин и расплава.