Способ литья с формированием однородной мелкозернистой структуры металла
CASTING METHOD WITH FORMATION OF HOMOGENEOUS FINE-GRAINED METAL STRUCTURE

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения качественных отливок, в том числе сложных крупногабаритных, из черных и цветных металлов и сплавов на их основе.
Известен способ получения отливок методом направленной кристаллизации, включающий вакуумную выплавку, заливку литейной формы металлом и его обработку постоянным магнитным полем. Способ обеспечивает получение ориентированной структуры отливки вдоль ее оси под воздействием осевого теплоотвода и постоянного магнитного поля (А.с. СССР №880626).
Недостатком этого способа являются большие энергозатраты, связанные с организацией процесса, и сложность получения крупногабаритных отливок.
Известен также способ получения металлических слитков высокого качества с помощью электромагнитного воздействия на расплав металла, помещенный в сильное магнитное поле, при пропускании через него электрического тока большой силы, при котором обеспечивается плотная и равномерная структура металла во всем объеме слитка (Патент Японии №62275563).
Данный способ не позволяет получать литые фасонные отливки сложной конфигурации, что является его недостатком.
Известен способ получения отливок, преимущественно из хрома, включающий вакуумную выплавку и заливку расплава в литейную форму, воздействие на расплав в литейной форме и литниковой системе электромагнитным полем с направлением, совпадающим с направлением гравитационных сил, от соленоида, питаемого трехфазным током промышленной  частоты, последующую кристаллизацию и охлаждение отливок. Для получения плотной и мелкозернистой структуры электромагнитное поле соленоида снимают по достижении температуры металла 1300°С (Патент СССР №1367286).
Недостатком способа является нестабильность физико-механических свойств крупногабаритных, сложных фасонных отливок по всему сечению, вызванная большой неоднородностью электромагнитного поля, воздействующего на металл в процессе его кристаллизации.
Известен способ литья деталей в вакууме с использованием плавки в тигле индукционной печи и донным сливом расплава (заявка Японии №51-26297, B22D 27/16, опубл. 1976 г.). После расплавления сплава стопор, выполненный в виде керамического шарика и закрывающий отверстие для слива расплава, всплывает и происходит заливка расплава в форму.
Данный способ не позволяет производить очистку расплава.
Известен способ снижения количества включений в расплаве при литье в вакууме (патент Великобритании №1504280, С22В 9/00, опубл. 15.03.1978 г.). В соответствии с данным способом для снижения количества неметаллических включений поверхностный слой плавильного тигля выполняют вязким, и к нему в процессе перемешивания расплава магнитным полем индуктора прилипают неметаллические включения.
Недостатком данного решения является то, что при интенсивном перемешивании расплавленного металла в процессе его расплавления и перегрева для технологических нужд вязкий слой может быть частично смыт и может служить дополнительным источником загрязнения расплава.
Известен способ литья металлов с использованием литейной формы (патент СН №602235, B22D 41/00, опубл. 31.07.1978 г.). Известный способ литья металла позволяет получать очищенный от шлаков и "успокоенный" металл путем равномерного температурного его распределения в литейной форме. Кроме того, траектория подачи расплавленного металла обеспечивает отсутствие турбулентности в нем.
Недостатком данного способа является взаимодействие с атмосферой в литейном ковше при его заполнении расплавом, в результате чего окисляется поверхность металла в полости ковша, расположенной вокруг заглушки, (полость 8в) и в полости ковша, расположенной перед перегородкой 24, (полость 8а). Таким образом, данный способ не обеспечивает защиту расплава от окисления во всех полостях литейного ковша.
Известны также способы получения дисковых заготовок, а в последнее время дисков одновременно с лопатками, методами литья с использованием направленной кристаллизации (патенты США №№3598169, 3625275, 4195683, 4240495, 4813470).
Предложенными способами на практике сложно обеспечить требуемую структуру по всему сечению отливок, что приводит к низкому выходу годного и снижению уровня усталостных характеристик жаропрочного сплава изделия.
Известен способ изготовления толстостенных трубных отливок из жаропрочных сплавов, который включает изготовление керамической формы трубной заготовки, затем формовку в опоке внутреннего пространства керамической формы наполнителем с высокой теплопроводностью и наполнителем с низкой теплопроводностью - с наружной поверхности формы трубной заготовки. Прокалку форм проводят вместе с опокой, затем формуют в подопоке наполнителем с высокой теплопроводностью. Далее заливку форм жаропрочным сплавом и его кристаллизацию осуществляют в вакуумной установке (патент РФ №2153955).
Недостатками способа являются невозможность получения сложно-профильных отливок, неэкологичность процесса, связанная с применением в качестве наполнителя кварцевых песков, низкая производительность процесса.
Кроме того, недостатками всех перечисленных способов литья крупногабаритных заготовок является ограниченность ассортимента получаемых отливок, высокая трудоемкость и низкий коэффициент использования металла.
Известен способ литья заготовок из жаропрочных труднодеформируемых никелевых сплавов на никелевой основе, включающий вакуумно-индукционную выплавку сплава и получение шихтовой заготовки, изготовление керамической формы, расплавление шихтовой заготовки жаропрочного сплава и заливку расплава в керамическую форму, проведение направленной кристаллизации заготовки в керамической форме постоянного сечения. Полученную литую заготовку затем подвергают многоступенчатой термомеханической обработке для получения диска (патент РФ №2215059).
Недостатками этого способа являются невозможность получения сложнопрофильных (дисковых и кольцевых) заготовок или нескольких заготовок под деформацию одновременно из жаропрочных труднодеформируемых на никелевой основе, а также достаточно высокая трудоемкость.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому (прототипом) является способ литья с формированием однородной мелкозернистой структуры металла, включающий заливку жидкого металла в водоохлаждаемую форму, кристаллизацию металла, охлаждение отливки и извлечение отливки из формы [RU 2541267, B22D 25/00, опубл. 10.02.2015 Бюл. №4]. Способ предназначен для литья гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания из модифицированного или легированного чугуна. Внутри водоохлаждаемой формы установлен водоохлаждаемый стержень. Перед заливкой жидкого металла в форме создают разрежение, нагревают стержень для его расширения на величину усадки при охлаждении, заливку жидкого металла в форму осуществляют без перегрева металла сверху из печи через отверстие в металлопроводе, остаток металла в металлопроводе впрессовывают затвором в форму, по окончании охлаждения отливки затвор отводят без открывания отверстия для заливки металла в металлопроводе, при этом отливку извлекают из формы снизу посредством электромагнита. При извлечении из формы гильз осуществляют их дорнование. Стержень покрывают графитовой оболочкой. В форму устанавливают взаимозаменяемые вставки и стержни из сплавов на основе молибдена и других огнеупорных материалов для получения гильз с внутренними диаметрами, например, ∅ 145 мм и 150 мм. Стержень изготавливают из материала, усадка которого не затрудняет усадку отливки, например из легированных сталей на основе молибдена с содержанием углерода 0,14-0,75% с усадкой 1,5-2,5% или из марганцовистых сталей с содержанием марганца 10-14% с усадкой 2,5-3,8%. Для предотвращения образования отбела на наружной поверхности гильзы используют разделительные теплоизоляционные материалы. По другому варианту заливку жидкого сплава в форму осуществляют снизу сифоном под низким давлением из печи через отверстие в металлопроводе, остаток металла в металлопроводе впрессовывают затвором в форму, а по окончании охлаждения отливку извлекают вверх с помощью перемещающегося дна с толкателями и с использованием электромагнита.
Недостатком этого способа является неоднородность структуры металла, наличие внутренних напряжений, снижение точности отливки из-за усадки металла.
Задачей предполагаемого изобретения является повышение качества отливки.
Техническим результатом является повышение однородности структуры металла, снижение внутренних напряжений, повышение точности отливки.
2
3
Поставленная задача достигается тем, что в способе литья с формированием однородной мелкозернистой структуры металла, включающем заливку жидкого металла в водоохлаждаемую форму, кристаллизацию металла, охлаждение отливки и извлечение отливки из формы, охлаждение отливки осуществляется направленно снизу вверх путем постепенного заполнения охлаждающей жидкостью водохлаждаемой формы со скоростью V<1,27⋅α/(С⋅ρ) м/мин за счет разного объемного расхода подачи и отвода охлаждающей воды, где α - коэффициент теплоотвода водоохлаждаемой формы, Вт/(м⋅K); С - удельная теплоемкость материала отливки, Дж/(кг⋅K); ρ - плотность материала отливки, кг/м.
При подаче охлаждающей жидкости в водоохлаждаемую форму с объемным расходом превышающем объемный расход отвода охлаждающей жидкости водоохлаждаемая форма будет заполняться охлаждающей жидкостью постепенно. Поэтому в нижней части формы металл будет интенсивно охлаждаться и приобретать твердую форму, а в верхней части формы металл будет находиться в жидком состоянии. Поэтому кристаллизация металла будет осуществляться в тонком пограничном слое между твердой и жидкой частями отливки. Чем ниже скорость заполнения охлаждающей жидкостью водоохлаждаемой формы, тем тоньше будет пограничный слой, в котором осуществляется кристаллизация металла. Следовательно, материал будет обладать однородной мелкозернистой структурой, меньше будет происходить усадка металла, в меньшей степени будут возникать внутренние напряжения, ликвация, образование раковин. Предельные значения скорости охлаждения отливки зависят от плотности металла и удельной теплоемкости, так как с их возрастанием скорость теплоотвода из пограничной области между жидким и твердым металлом уменьшается, и от охлаждающих свойств литьевой формы, с увеличение которой скорость охлаждения возрастает. Следовательно, с увеличением коэффициента теплоотвода водоохлаждаемой формы и снижением удельной теплоемкости и плотности материала отливки можно повысить скорость подачи охлаждающей жидкости без снижения качества отливки.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется рисунком, где на фиг. 1 изображена схема осуществления способа.
На рисунке используются следующие обозначения: 1. Литьевая форма. 2. Основание. 3. Полость основания. 4. Отверстие для подачи охлаждающей жидкости. 5. Отверстие для подачи охлаждающей жидкости в форму. 6. Водоохлаждаемя полость. 7. Отверстие для удаления охлаждающей жидкости из формы. 8. Затвердевшая часть отливки. 9. Жидкий металл. 10. Зона кристаллизации металла.
р
o
В центральное отверстие литьевой формы 1, закрепленной на основании 2, заливается жидкий металл. В полость 3 основания 2 через отверстие 4 подается охлаждающая жидкость с объемным расходом υ. Из полости 3 через отверстие 5 охлаждающая жидкость попадает в водоохлаждаемую полость 6 формы 1. Через отверстие 7 охлаждающая жидкость отводится из водохлаждаемой полости 6 с объемным расходом υ.
o
р
o
р
Объемный расход υ отвода охлаждаемой жидкости устанавливают меньше объемного расхода υ ее подачи: υ<υ. Поэтому охлаждающая
р
o
жидкость постепенно заполняет водоохлаждаемую полость 6 формы 1. Разницу между скоростью υ подвода и скоростью υ отвода охлаждающей
жидкости обеспечивают такой, при которой скорость V заполнения водоохлаждаемой полости 6 формы 1 соответствует зависимости:
2
где α - коэффициент теплоотвода водоохлаждаемой формы, Вт/(м⋅K);
С - удельная теплоемкость материала отливки, Дж/(кг⋅K);
3
ρ - плотность материала отливки, кг/м.
При таких условиях охлаждения металл начинает затвердевать сначала в нижней части 8 литьевой формы 1, а затем постепенно толщина затвердевшего металла увеличивается. В верхней части литьевой формы 1 находится расплавленный металл 9. Между расплавленным металлом и твердым металлом находится тонкий переходный слой 10, в котором осуществляется кристаллизация.
Так как толщина переходного слоя невелика, то время от начала кристаллизации до окончания в этом слое мало, что обеспечивает уменьшение ликвации, образование мелкозернистой структуры и повышение однородности структуры металла. Снижается усадка металла, повышается точность отливки, снижаются остаточные напряжения. Чем меньше скорость заполнения водохлаждаемой полости 6 формы 1, тем тоньше получатся переходный слой 10, а качество отливки получается выше.
Особенно эффективно этот способ использовать при осуществлении отливки в вакуумной печи, где теплоотвод резко уменьшается по сравнению с отливкой на открытом воздухе. При этом обеспечивается отсутствие раковин, летучих примесей, повышается чистота метала.
Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает повышение однородности мелкозернистой структуры металла, снижение внутренних напряжений, повышение точности отливки, и в целом решение поставленной задачи повышения качества отливки.
3
3
-5
3
v
n
v
v
р
Пример. Осуществляется отливка цилиндрической детали с наружным диаметром D=120 мм и высотой Н=80 мм. Материалом детали является титан (ρ=4540 кг/м; С=600 Дж/(кг⋅K)). Водоохлаждаемая полость формы имеет внутренний диаметр d=138 мм, наружный диаметр d=280 мм. В качестве охлаждающей жидкости используем воду (удельная теплоемкость охлаждающей жидкости C=4200 Дж/(кг⋅K); плотность охлаждающей жидкости ρ=1080 кг/м). Расход при подаче охлаждающей жидкости в литьевую форму принимаем равным υ=8,3⋅10 м/с.
Коэффициент теплоотвода водоохлаждаемой формы определим по формуле:
m
где k - безразмерный коэффициент, зависящий от материала и толщины стенки литейной формы;
h - высота подъема охлаждающей жидкости в охлаждающей полости литьевой формы, м.
m
m
Значение безразмерного коэффициента k=0,2-0,5 в зависимости от материала литьевой формы и толщины ее стенки. Принимаем k=0,3.
Так как высота подъема охлаждающей жидкости в литьевой форме со временем меняется, то коэффициент теплопроводности водохлаждаемой формы является функцией от значения h:
В начальный момент кристаллизации металла h=0, а охлаждение осуществляется только со стороны опорной плиты. Поэтому
В конце процесса кристаллизации h=Н, и поэтому
3
2
Будем ориентироваться на минимальное значение α=9,1⋅10 Вт/(м⋅K). Тогда в соответствии с формулой (1)
Принимаем V=20 мм/мин.
Площадь поперечного сечения водоохдаждаемой полости формы
Тогда требуемый объемный расход при отводе охлаждающей жидкости равен:
При такой разнице объемного расхода при подводе и отводе охлаждающей жидкости обеспечивается принятая скорость заполнения охлаждающей жидкостью литьевой формы, и тем самым решается поставленная задача повышения качества отливки.