СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ
METHOD OF PRODUCING CASTING

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть применен для получения литых композиционных изделий.
Известен способ получения отливки, включающий изготовление формы из песчаной смеси по модели, когда на поверхность модели наносят сначала облицовочный слой, а затем засыпают наполнительную смесь, и все это уплотняют, извлекают модель из формы, форму окрашивают или присыпают противопригарными веществами, производят сборку формы, заливают в форму жидкий металл (Литейное производство. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987, с. 84-86). Этот способ имеет недостатки. Он не позволяет получать отливки с теплостойкой поверхностью. На поверхности отливок не образуется слой разнородных композиционных материалов, который служил бы защитой металла от воздействия высоких температур и агрессивных сред.
Из известных, наиболее близким по технической сущности является способ получения отливки, включающий выполнение поверхностного слоя формы из смеси зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, и материала, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, заливку в форму жидкого материала, расплавление заливаемым материалом менее тугоплавкого материала и связывание зерен тугоплавкого материала с образованием на поверхности отливки слоя из разнородных материалов, отличающийся тем, что на поверхность формы наносят слой толщиной 20 мм из смеси раздробленного высокоглиноземистого огнеупора, температура плавления которого 1800-1850°С, и бентонитовой глины с добавлением криолита, температура плавления которых ниже 1000°С, и в форму заливают жидкий чугун при температуре 1420°С (патент РФ №2283724 С1, Способ получения отливки, B22D 27/18, заявка: 2005112432/02, 25.04.2005, опубл. 20.09.2006, Бюл. №26). Недостатком этого способа является сложность создания монолитной композиционной отливки из слоев требуемой толщины и требуемого состава материалов без легкоплавкой связующей, большие затраты на процесс образования защитных теплоизоляционных и износостойких слоев у поверхности отливки, малая прочность поверхностных неметаллических слоев отливки.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение и снижение трудоемкости создания композиционной отливки из разнородных слоев требуемой толщины, уменьшение затрат на процесс образования защитных теплоизоляционных и износостойких слоев у поверхности отливки требуемой толщины и требуемого состава материала без легкоплавкой, снижающей прочность, связующей, получение монолитной композиционной отливки.
На основе исследований предлагается способ получения отливки, включающий изготовление формы и заливку в собранную форму жидкого материала, который отличается от известного способа тем, что до заливки жидкого материала в форму в нижнюю часть формы загружают твердый кусковой материал, температура плавления которого выше температуры жидкого материала при заливке в форму, а удельный вес меньше удельного веса заливаемого материала, производят сборку формы и в форму заливают жидкий материал, омывают и нагревают твердый кусковой материал заливаемым жидким материалом, интенсифицируют всплытие твердого кускового материала в верхнюю часть формы, пропитывают жидким материалом твердый кусковой материал и создают после затвердевания материала в форме композиционную отливку из затвердевшего в нижней части формы залитого материала и связанного затвердевшим залитым материалом твердого кускового материала в верхней части формы, при этом, начиная с момента заливки жидкого материала в форму до окончания заливки, производят вибрацию формы с частотой 100-300 колебаний в минуту и так, чтобы твердый кусковой материал интенсивно всплывал и распределялся слоем в верхней части формы, а затем до затвердевания жидкого материала в форме производят импульсное воздействие на жидкий материал через литниковую систему с частотой 80-120 воздействий в минуту и интенсифицируют проникновение жидкого материала между кусками твердого материала.
Согласно предлагаемому изобретению изготовляют песчаную или металлическую без облицовки или с облицовкой форму, до заливки жидкого материала в форму в нижнюю часть формы загружают твердый кусковой материал, температура плавления которого выше температуры жидкого материала при заливке в форму, а удельный вес меньше удельного веса заливаемого материала, производят сборку формы и в форму заливают жидкий материал, например, чугун, сталь, медные или алюминиевые сплавы, омывают и нагревают твердый кусковой материал заливаемым жидким материалом, интенсифицируют всплытие твердого кускового материала в верхнюю часть формы, пропитывают жидким материалом твердый кусковой материал, например, куски пористого керамзита, доломита, шамота, металлургического или вулканического шлака, глинозема, стекла, и создают после затвердевания материала в форме композиционную отливку из затвердевшего в нижней части формы залитого материала и связанного затвердевшим залитым материалом твердого кускового материала в верхней части формы, при этом, начиная с момента заливки жидкого материала в форму до окончания заливки, производят вибрацию формы с частотой F 100-300 колебаний в минуту и так, чтобы твердый кусковой материал интенсивно всплывал и распределялся слоем в верхней части формы, а затем до затвердевания жидкого материала в форме производят импульсное воздействие на жидкий материал через литниковую систему с частотой G 80-120 воздействий в минуту и интенсифицируют проникновение жидкого материала между кусками твердого материала.
2
3
2
3
2
По предложенному изобретению рационально форму изготавливать коробчатого типа с питателями для ввода жидкого материала в нижней части формы и отъемной верхней частью формы, со стояком и литниковой чашей или воронкой в боковой части формы. В форму, изготовленную из песчаной формовочной смеси, или в металлическую форму, или в металлическую форму, облицованную формовочным материалом, или в огнеупорную форму (изготовленную из огнеупоров или огнеупорных материалов) при открытой верхней части загружают слоями кусковые материалы, температура плавления которых выше температуры жидкого материала при заливке в форму, а удельный вес меньше удельного веса заливаемого материала. Так, если заливаемый жидкий материал - чугун или сталь, то загружаемый твердый кусковой материал может быть плотный или пористый шамот, хромомагнезит, смеси оксидов AlO, CrO, SiO, MgO, стекло, керамзит, доломит, металлургический, ваграночный, вулканический шлак, карборунд, углеродсодержащие вещества, тугоплавкие вещества, удельный вес которых меньше удельного веса железоуглеродистых сплавов. Эти материалы можно распределять в форме слоями (снизу - материалы с большим удельным весом, сверху - материалы с меньшим удельным весом). Если заливаемый материал - сплав на основе алюминия, то твердый кусковой материал должен иметь удельный вес меньше удельного веса алюминиевого сплава. Состав, размеры кусков, зерен, толщина слоев определяются требованиями к получаемому композиционному материалу. Можно создавать слой зернистого материала высокой огнеупорности, например раздробленных высокоглиноземистых огнеупоров, кварцита, циркона, рутила, хромомагнезита, хромита, муллита, шамота, в смеси со стеклами, тугоплавкими, но с малым удельным весом металлами, сплавами в виде кусочков и порошков. Материалы слоя могут быть крупнозернистыми и мелкозернистыми, неметаллическими и металлическими. Зернистость материалов может быть неодинаковой, если это требуется по условиям использования отливок. Толщина слоя, величина, форма зерен и состав могут быть одинаковыми и неодинаковыми в разных местах формы в зависимости от предъявляемых требований. Заливаемый в форму материал может быть металлом или неметаллом, чугуном, сталью, медными, алюминиевыми, титановыми сплавами, расплавленными керамическими материалами и шлаком, а также материалом, который применяется для производства каменного литья. После загрузки твердый кусковой материал можно предварительно прогревать. Производят сборку формы. При заливке в форму жидкий материал своим теплом нагревает твердый кусковой материал. Между зернами слоя в образующиеся зазоры проникает жидкий материал, пропитывает пористые куски, способствует всплытию кусков в верхнюю часть формы. На поверхности отливки образуется слой разнородных композиционных материалов. При этом основная (нижняя) часть отливки может иметь высокую механическую и строительную прочность, а поверхностный слой отливки будет защищать материал от воздействия высоких температур, агрессивных сред, будет износостойким.
Такое сочетание новых признаков с известными позволяет упростить получение отливок для химических аппаратов, печей, строительных конструкций, тепловых агрегатов.
Предложенный способ является простым по осуществлению, не трудоемким, энергосберегающим, безопасным, экологически чистым.
Выбор материалов для получения поверхностного слоя отливки обусловлен назначением отливки, условиями ее эксплуатации. Если отливка предназначена для работы в условиях высоких температур, то применяются высокоогнеупорные (оксиды кремния, алюминия, титана, хрома, магния) зернистые материалы для получения поверхностного композиционного слоя. Материалом, связывающим зерна, может быть чугун или сталь. При производстве литья из сплавов алюминия зерна поверхностного слоя могут быть в виде битого стекла, гранул шлака, а также в виде зерен тугоплавких оксидов, боридов и их смесей. Расплавленные алюминиевые сплавы, проникая между тугоплавкими зернами, связывают тугоплавкие зерна, причем в поверхностном слое отливки часть алюминия может образовывать тугоплавкий оксид алюминия.
При производстве композиционной отливки, начиная с момента заливки жидкого материала в форму до окончания заливки производят вибрацию формы с частотой F 100-300 колебаний в минуту, в связи с чем твердый кусковой материал интенсивно всплывает и распределяется слоями в верхней части формы. Затем до затвердевания жидкого материала в форме производят импульсное воздействие на жидкий материал через литниковую систему с частотой G 80-120 воздействий в минуту и интенсифицируют проникновение жидкого материала между кусками твердого материала. При F<100 колебаний в минуту не все твердые куски всплывают в верхнюю часть формы, часть кусков прилипает к нижней части формы, а при F>200 колебаний в минуту наблюдаются разрушения стенок формы, что приводит к браку отливки. При G<80 воздействий в минуту наблюдается недостаточное проникновение жидкого материала между твердыми кусками, а при G>120 воздействий в минуту разрушается поверхностный слой верхней части формы, в связи с чем ухудшается качество отливки. Оптимальные условия для получения высококачественной композиционной отливки достигаются при 100≤F≤300, 80≤G≤200.
При оптимальных условиях процесса создают такой напор жидкого материала в форме, при котором жидкий материал прижимает слои кусковых материалов к верхней стенке формы, проникает между твердыми кусками, затвердевает между твердыми кусками и связывает кусковые материалы между собой и очищенной от кусковых материалов затвердевшей массой жидкого материала ниже слоя кусковых материалов кусковые материалы в верхней части формы распределяются в соответствии с удельным весом, то есть выше - с меньшим удельным весом, ниже - с большим удельным весом.
Пример осуществления предлагаемого способа
Изготавливали отливки для теплового аппарата, применяемого в литейном производстве.
Отливки выполнялись в виде чугунных плит с поверхностным слоем из неметаллических (огнеупорных) материалов. Отливки предназначались для емкостей, в которых требовалось производить тепловую и химическую обработку жидкого стекла.
В металлическую форму, облицованную формовочным составом, загружали кусочки высокоглиноземистых, шамотных и пористых огнеупоров в виде смеси слоем толщиной 35 мм. Высота стенок формы была 50 мм. В нижней части формы были выполнены питатели для ввода жидкого материала, а в боковой части формы располагался заливочный стояк. Температура плавления загруженного кускового материала была выше температуры жидкого заливаемого в форму материала. А удельный вес был меньше удельного веса заливаемого материала. Форму перекрывали верхней отъемной частью и после сборки в форму заливали жидкий чугун при температуре 1380°С, то есть при температуре, которая ниже огнеупорности загруженного кускового материала (огнеупорность твердого кускового материала была 1500-1850°С). Начиная с момента заливки жидкого чугуна в форму, до окончания заливки производили вибрацию формы с частотой 100≤F≤200 колебаний в минуту с помощью пневматического вибратора. До затвердевания жидкого материала в форме производили импульсное воздействие на жидкий материал через литниковую систему с частотой 80≤G≤200 воздействий в минуту (с помощью устройства в виде пневматического молотка с прочным огнеупорным наконечником). Были получены композиционные отливки в виде плит, в которых толщиной 15 мм образовался прочный и плотный материал-чугун, а толщиной 35 мм образовался слоистый композит из скрепленных затвердевшим чугуном кусочков огнеупоров. Плиты-композиты получились монолитными. Огнеупорная, химически стойкая часть плит располагалась внутри емкости, в которой нагревалось и химически обрабатывалось жидкое стекло в литейном цехе.
Были также получены предлагаемым способом отливки из алюминиевых сплавов с защитным слоем из раздробленных пористых шамотных и стеклянных изделий. Эти отливки были предназначены для работы в условиях воздействия на поверхностный слой движущейся загрязненной воды. Долговечность отливок была высокой. Такие отливки были в 1,5-2 раза дешевле, чем композиционные отливки с созданным защитным слоем известными способами.
Предлагаемым способом можно получать композиционные отливки из расплавленных неметаллических материалов, пластмассы. Так, например, после загрузки в форму легких пористых неметаллических материалов и заливки в форму расплава неметаллических материалов можно получать монолиты из плотного и пористого материала для приборостроения.
Предлагаемым способом можно получать такие отливки, которые позволяют сооружать защитные устройства от источников излучения (например, плиты, содержащие слой из связанных кусочков углеродсодержащего материала). Для случаев, если температура ниже 0°С, в форму можно загружать кусочки пористых легких материалов, а затем в форму заливать жидкость (воду), поднимать жидкостью кусочки легкого материала в верхнюю часть формы, после чего жидкость надо замораживать и создавать плиты - композиты для строительства сооружений, например, холодильников, а также зданий, используемых в условиях вечной мерзлоты.