УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при изготовлении точных отливок с повышенным механическими свойствами метала.
Известные, наиболее распространенные в промышленности, устройства для получения отливок (особенно из черных сплавов), состоят из литейной формы (песчано-глинистой, керамической, стержневой, с пенополистироловой моделью) и разливочного ковша с расплавом металла, нагретого до температуры выше точки ликвидус, предусматривают гравитационную заливку и затвердевания его в форме под атмосферным давлением.
Подученные таким образом отливки не однородны по химсоставу, имеют пористость и крупное первичное зерно, поэтому уступают по механическим свойствам поковкам и прокату - на 30% по прочности и более, чем в 2 раза по относительному удлинению.
Кроме того технологические возможности данного устройства ограничены в части получения крупногабаритных отливок и отливок с тонкими стенками.
Известно устройство для получения отливок, в котором разливочный ковш заменен на герметизированную обогреваемую емкость, соединенную с литейной формой металлопроводом. Заливка расплава, нагретого до температуры выше точки ликвидус, производится под газовым давлением, подаваемым в емкость (Lagarde Y., Bellocci R. Procede FM - Nouveau procede de coulee de pieces en fonte et en acier // Hommes et Fonderie - 1985. - №152. - Р.11-21.).
Устройство позволяет расширить технологические возможности литья: получать тонкостенные и крупногабаритные отливки в том числе из стали, снизить температуру заливки.
Однако основные недостатки данного устройства, как и предыдущего, сосотоят в том, что оно не позволяет подучить отливки химически однородные,
беспористые, с мелким первичным зерном, как у поковок и проката, что ограничивает область применения литья.
Из-за низких механических свойств литого металла конструктор завышает на 30%, по сравнению с поковками, толщины стенок литых деталей, что приводит к утяжелению машин и механизмов, повышенному расходу металла.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: улучшение качества литого металла и повышение механических свойств его до уровня метала поковок и проката.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве при получении отливок содержащим литейную форму с заливочным отверстием в донной части, расположенную над расплавом метала, находящегося в емкости и вытесняемого из нее в форму под давлением, емкость выполнена в виде мерного металлоприемника - камеры выжимания с низкотеплопроводными стенками, например облицованную кварцевым песком, в которую залита мерная доза расплава, выжимаемая (вытесняемая) в форму под действием введенного силового механизма, через литниковый ход промежуточной плиты (пуансона), установленной в верхней части камеры выжимания с возможностью перемещения вдоль ее оси, при этом литниковый ход и донная часть промежуточной плиты покрыты огнеупорным материалом, например кварцевым песком, а литейная форма герметизирована или помещена в герметизируемый контейнер, связанный с системами вакуумирования и сжатого газа, снабженный в верхней части, по разъему, уплотнением, а в нижней (донной) части - кольцевой канавкой для герметизации контейнера снизу выжимаемым расплавом.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет заполнять форму расплавом в жидко-твердом состоянии (сплавы - при температуре ниже точки ликвидус, а чистые металлы - обработанные модификаторами 2 рода,
например наночастицами - нитридами, оксидами, карбонитридами) и вести затвердевание его в форме под давлением, в т.ч. газовым.
Это позволяет осуществить объемные затвердевания расплава ыв форме с микропластической деформацией его под действием газового давления и получить химически однородную структуру металла, беспор, с мелким первичным зерном; повысить прочность на 30%, а пластичность более чем в 2 раза.
При изготовлении отливок в разовых формах, расположенных в контейнерах, промежуточная плита соединена с нижней частью контейнера неразъемно, который герметизирован по разъему верхней части уплотнением, в донной его части, изнутри, выполнена кольцевая канавка, соединенная с литниковым ходом промежуточной плиты для герметизации его снизу заливаемым расплавом.
Это позволяет упростить устройство за счет уменьшения количества используемых деталей оснастки и узлов.
При изготовлении в предлагаемом устройстве отливок в керамических формах по выплавляемым моделям в центральный литник помещен песчаный стержень, снабженный продольными позами и кольцевыми канавками, образующими прибыли в местах подвода питателей к отливкам, или стержень выполнен в виде закрытой снизу оболочки из материала формы соединенный с ней неразъемно в верхней части, причем толщина его стенки меньше толщины стенки формы.
Введение стержней в керамические формы по выплавляемым моделям позволяет сократить расход металла, повысить выход годного литья, улучшить качество отливок.
При изготовлении отливок в песчаных формах без использования стержней и формовочных смесей в контейнер помещена пенополистироловая
газифицируемая модель с покрытием из огнеупорной краски, в т.ч. армировованная металлической стружкой. Это позволяет получать отливки сожной конфигурации, в т.ч. с тонкими стенками больших габаритов, отливки из композиционных материалов, обладающих улучшенными служебными характеристиками. Например получать износостойкие отливки из высокоуглеродистой стали с повышенной (2 раза) пластичностью.
Отливки, получаемые в постоянных литейных формах, изготавливаются с использованием низкотеплопроводных газопроницаемых облицовок на отдельных участках их поверхности или песчаных стержней для обеспечения передачи газового давления на поверхность залитого расплава, формляемую этими стержнями или облицовкой. В качестве примера наиболее эффективного такого варианта является литье поршней двигателей внутреннего сгорания. На одном предлагаемом устройстве с шестиместной формой в составе линии можно получать 600 поршней в час с повышенными механическими свойствами металла и высокой надежностью, на уровне поковок. При этом поверхность отливок, полученных с использованием песчаных и дисперсных материалов, не имеет химического и механического пригаров благодаря газовому давлению в межзеренном пространстве песчаных частей.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг.2 - керамическая форма устройства, изготовленная по выплавляемым моделям с песчаным стержнем в центральном литнике, на фиг.3 - керамическая форма устройства изготовленная по выплавляемым моделям, с центральным оболочковым стержнем, на фиг.4 - контейнер устройства с пенополистироловой моделью, соединенной с промежуточной плитой, на фиг.5 - шетиместная постоянная форма устройства для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания.
Устройство для получения отливок состоит из станины 1, камеры
выжимания 2, облицованной слоем 3 кварцевого песка со связующим и установленной на основании станины 1 (на подвижном столе 4), связанным силовым гидроцилиндром 5 вертикального перемещения. В верхней части камеры выжимания 2 расположена промежуточная плита (пуансон) 6, литниковый ход 7 которой и донная часть плиты покрыты (облицованы) слоем 8, например кварца песка со связующим. Стопочная песчаная форма 9 помещена в контейнер 10, который присоединен к верхней плите 11 станины 1 через герметизирующее уплотнение 12. В плите 11 размещены газопроводы 13, 14, 15 соответственно для вакуумирования, подачи сжатого газа, сброса газового давления.
В основание контейнера 10 выполнена кольцевая канавка 12 для герметизации его снизу выжимаемым расплавом.
В камеру выжимания 2 залит расплав 17 углеродистой стали, в литниковом ходе 7 установлен пенокерамический фильтр 18.
Керамическая форма 19 (фиг.2) с песчаным стержнем 20, на котором выполнены продольные каналы 21 и поперечные канавки 22, установлена в контейнер 23 и засыпана песком 24. Под контейнером 23 расположена камера 22 с расплавом 17.
Керамическая форма (фиг.3), в которой стержень образует закрытую снизу оболочку из материала формы и соединен с ней неразъемно в верхней части (толщина стенки оболочкового стержня меньше толщины стенки формы для локализации разрушения под механическим давлением), выполненный в виде щелевидного (трубчатого) канала 25 с продольными углублениями 26 образующими литники, установлена в контейнер 27 и засыпана песком 28.
Под контейнером 27 расположена камера выжимания 2 с расплавом 17.
В контейнер 29 (фиг.4) связанный неразъемно с промежуточной плитой 30, снабженной облицовкой 31 из кварцевого песка с литниковым ходом 32,
установлена пенополистироловая модель 33 отливки «зуб эксковатора», покрытая слоем 34 огнеупорной краски.
Под контейнером 29 расположена камера выжимания 2 с расплавом стали 110Г13Л.
В донной части контейнера 29 выполнена кольцевая канавка 35 для герметизации его снизу выжимаемым расплавом. Модель 33 засыпана сухим кварцевым песком 36 с наложением вибрации.
Постоянная литейная форма (фиг.5), выполнена шестиместной для изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания, состоит из чугунного корпуса 37 с рабочими полостями 38, в которые установлены стержни 39. От вертикального перемещения стержней 39 введена ограничительная плита 40 с пористыми газопроницаемыми вставками 41.
Промежуточная плита 42 имеет литниковый ход 43 с пенокерамическим фильтром 44 и разъемно соединяется с корпусом 37 через уплотнение 45. Под формой расположена камера выжимания 2 с алюминиевым поршневым расплавом 46.
Устройство работает следующим образом.
Стопочная сухая форма 9 (фиг.1) для получения мелких стальных отливок (высота стопки 1000 мм, диаметр - 400 мм, количество отливок, получаемых в стопки, - 720 шт.) устанавливается контейнер 10, который присоединяется к плите 10 через уплотнение 12. Под контейнер 10, по одной с ним оси, устанавливается камера выжимания 2 с расплавом 17 стали 45, на которую сверху установлена промежуточная плита 6.
При температуре стали 1480°С (температура начала кристаллизации 1490°С) камера 2 под действием гидроцилиндра 5 перемещается вверх с заданной скоростью, плита 6 упирается в торец контейнера 10 и перемещается в ней вниз выжимая расплав с определенным количеством твердой фазы через пенокерамический фильтр 18 в рабочие полости стопки 9. В начальный
момент поступления расплава 17 в контейнер 10 кольцевая канавка 16 заливается расплавом, который затвердевает и герметизирует контейнер 10 снизу.
В этот момент открывается газопровод 14, через который подается сжатый газ под давлением 5 атмосфер, и заполнение стопки происходит под противодавлением газа.
Наличие твердой фазы в поступающем в рабочую полость формы расплава способствует химической однородности отливки и мелкозернистому строению, а газовое давление приводит к микропластической деформации металла и устранению в нем пор. Давление газа в контейнере 10 поддерживается до затвердевания отливки, затем газопровод 14 перекрывается, открывается газопровод 15, соединяющий контейнер 10 с атмосферой. Камера выжимания 2, удерживаемая захватами (на чертеже не показано) перемещается гидроцилиндром 5 вниз вместе с промежуточной плитой 6 для отрыва пресс-остатка, находящегося между ней и дном камеры 2 (отрыв происходит в литниковом ходе 7). Контейнер 10 отсоединяется от плиты 11, производится выбивка отливок и процесс повторяется. Полученные стальные отливки по механическим свойствам превосходят ГОСТ на литье и соответствуют ГОСТ на прокат и поковки.
Работа устройства с керамической формой и песчаным стержнем (фиг.2) не отличается от выше приведенного (фиг.1), за исключением того, что температура формы при заливки - комнатная. Расход металла на литники, по сравнению с серийной технологией, сокращается более, чем в 10 раз.
Работа устройства с керамической формой и оболочковым стержнем (фиг.3) не отличается от вышеприведенного (фиг.1). Оболочковый стержень 26 позволяет выполнить литник керамической формы по выплавляемым моделям в виде трубы и увеличить в несколько раз количество одновременно отливаемых заготовок, что повышает производительность и сокращает расход металла на литнтково-питающую систему.
Работа устройства с использованием пенополистироловрой модели (фиг.4) характеризуется следующим.
Пенополистироловая модель 33 устанавливается в контейнер 29, который присоединяется к плите 11 станины 1. Расплав стали 110Г13Л выжимается из камеры 2 при температуре 1340°С, ниже точки ликвидус (температура начала затвердивания стали 1350-1370°С) через литниковый ход 32 в контейнер 29 выжигая пенополистироловую модель 33. Вытесняемый из камеры 2 расплав заливается в канавку 35 и герметизирует контейнер 29 снизу.
В этот момент через газопровод 13 контейнер 29 соединяется с вакуумной системой для отсоса продуктов газификации модели 33.
Расплав металла поступает в форму с твердой фазой, т.е. с готовыми центрами кристаллизации.
После замещения модели 33 расплавом стали 110Г13Л, вакуумная система отключается и в контейнер 29 подается осушенный сжатый воздух через газопровод 14 под давлением 5 атмосфер. Выдержка под давлением сжатого газа производится до окончания затвердевания отливки.
Полученная отливка химически однородна, имеет мелкое первичное зерно, не имеет пор за счет затвердевания жидко-твердой фазы под давлением, с повышенными механическими свойствами металла. Совмещение промежуточной плиты с контейнером в один узел позволяет сократить число отдельных деталей устройства и упростить его сборку.
При изготовлении деталей поршней двигателя внутреннего сгорания (фиг.5) устройство работает следующим образом.
В чугунный корпус 37 шестиместного кокиля устанавливаются песчаные стержни 39, образуя рабочие полости 38. Вертикальное перемещение стержней 39 ограничивает плита 40.
Поршневой алюминиевый расплав 46 выжимается из камеры 2 через
литниковый ход 43 промежуточной плиты 42 в интервале кристаллизации.
В начальный момент заполнение рабочих полостей 38 в корпус 37 подается сжатый газ через газопровод 14 под давлением 5 атмосфер. Окончательное заполнение рабочих полостей 38 происходит под газовым противодавлением. Жидко-твердое состояние поступающего в рабочие полости 38 расплава, газовое давление на расплав, направленная кристаллизация от наружной поверхности отливки к внутренней обеспечивают однородный химсостав отливки, мелкое первичное зерно, устранение в литом металле пор, механические свойства литого материала на уровне поковок и проката.
После затвердевания отливок камера выжимания перемещается вниз удерживаемая захватами (на чертеже не показано), при этом плита 42 отсоединяется от корпуса 37, литник отрывается от пресс-остатка в месте расположения фильтра 44, отливки извлекаются из корпуса 37 и процесс повторяется.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить операции, необходимые для получения качества литого материала, не уступающего кованому. В данном устройстве можно получать отливки из нелитейных сплавов, например из АК8, В95, В96 с пределом прочности более 500 МПа и расширить возможности литейного производства.
При получении отливок из магниевых сплавов можно уменьшить толщину их стенок примерно на 30% при сохранении конструктивной прочности.
Устройство позволяет получать отливки из стали с повышенным содержанием азота, удешевить нержавеющую сталь.
При помещении устройства в герметизуруемую камеру можно получать отливки из титана и его сплавов и в несколько раз повысит повысить выход годного по сравнению с серийной технологией центробежного литья.
Использование полезной модели позволяет получить отливки с
повышенными механическими свойствами металла на уровне поковок и проката, снизить вес отливок на 30% за счет уменьшения толщин их стенок при сохранении конструктивной прочности, и соответственно уменьшить вес машин и механизмов, перевести на литье со значительным экономическим эффектом сложные изделия, изготавливаемые в настоящее время из поковок и проката сваркой.