Способ центробежного литья биметаллических изделий

 

СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, включающий последовательную запивку в изложницу разнородных металлов,, отличающийся тем, что, с целью повышения качества отливки, за счет однородности свойств по всек,/ объему внутреннего слоя, в момент заливки второго металла, направпение вращения изложницы изменяют на обратное, причем вращение в обратном направлении осуществляют со скоростью, соот ветствуицей 0,75-3,00 от исходной величины гравитационного коэффициента иа внутренней поверхности отливки .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

В

РЕСПУБЛИН

3($gl В 22 Э 13 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРИТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCNOMV CBWWTBIIPCTBV (21) 3555907/22-02 (22) 21.12..82 (46) 23.01.84. Ввл. 9 3 (72) В.А.Антоновский, С.П.Гутников, Р.В.Левинская. и A.E.Сапогбва (71) Всесовзный ордена Трудового

Красного Знамени научно исследовательский и конструкторско технологический институт трубной промышленности (53) 621. 74 ° 042 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 485820, кл. В 223 13/00, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР 9 448056, кл. В 22D 13/00, 1975.

3. Milan Harog, Bohumil Pycha

"Мочу Zpttsob dvouvrstvych inget6 а

nebo ой11Юц", Huthicke 1евйу.

1973, и 9 р,620-626, „. SU „„19682lg A (54) (57) СПОСОБ ЦКИТРОВЩщОГО литья

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯ, включающий последовательную заливку в излоиницу разнородных металлов,. о т л и ч ав ttt и и с я тем, что, с целью повыыения качества отливки, за счет однородности свойств по всеку объему внутреннего слоя, в момент заливки второго металла, направление вращения излоиницы изменяют на обратное, причем вращение в обратном направлении осуществляют со скоростьв, соот, ветствующей 0,75-3,00 от исходной величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отлнвкиа

1068217

5 дается зональной неоднородностью—

1S

40 состоянии, с залитым вторым металлом будет происходить во время подачи последнего только эа счет гидродинаэлических и конвективных потоков беэ дополнительных механических воздейст- 50

Изобретение относится к литейному производству, в частности к центг. робежному литью, и может быть использовано при производстве биметаллических тонкостенных центробежнолитых труб и. толстостенных трубных заготовок на установках с горизонтальной, наклонной и вертикальной осями вращения.

K биметаллическим изделиям, полученным центробежным способом, предьявляют жесткие требования по прочности соединения слоев, по химической и физической однородности внутренне-, го рабочего слоя. Решение этих задач прибретает особую актуальность при производстве тонкостенных биметаллических.труб и толстостенных трубных заготовок, подвергающихся дальнейшему переделу.

Известеи способ центробежного литья биметаллических труб, включающий врещение формы и поочередную подачу в нее заливаемых расплавов (1). Известен также способ центробежной отливки биметаллических заготовок под синтетическим флюсом, заключающийся в том, что вторую часть внутреннего слоя заготовки заливают при повороте изложницы в вертикальное положение (2 ).

Недбстатком указанных способов является то, что они не обеспечивают равномерность свойств по всему объему внутреннего слоя. Это обусловле;::о тем, что расплав, формирующий внутренний слой, подается на уже затвердевший наружный слой и вовлекается во вращение. При этом он не перемешивается и не усредняется по химическому составу, так как металл находится в состоянии относительного покоя. Кроме того, указанные способы не гарантируют качество сварки между ело ями Ф

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ отливки биметаллических изделий, включающий последовательную заливку в изложницу разнородных металлов Г33.

Недостатком данного способа является то, что он также обеспечивает качество отливки. Это обусловлено тем, что не достигается усреднение химической и физической однородности, так как перемешивание основного металла, еще находящегося в жидком вий о

Продолжительность подачи второго металла ко времени ойцей кристаллизации весьма незначительна, поэтому распределение легирующих элементов по всему объему происходит в основном в то время, когда расплав находится в состоянии покоя, т .е. в состоянии обычного формирования отливки.

Этот процесс, как правило, сопровожнарушением кристаллической струтуры и полным или частичным заполнением этих мест маточным раствором. В последнем случае нарушение структуры приводит к образованию физической неоднородности, проявлением которой является осевая, и внеосевая пористость,образующаяся,как известно, в результате усадки металла в виде усадочной раковины. Кроме того, для изделий, отлитых указанным способом, характерна зональная химическая неоднородность отливок, которая является результатом избирательной кристаллизации и диффузионного перераспределения примесей вследствие молекулярной и конвективной диФфузии.

Целью изобретения является повышение качества отливки эа счет однородности свойств по всему объему внутреннего слоя.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу литья биметаллических изделий, включающем последовательную заливку в изложницу разнородных металлов, в момент заливки второго металла направление вращения изложницы изменяют на обратное, при1 ем вращение в обратном направлении существляют со скоростью, соответствующей 0,75-3,00 от исходной величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки.

Перемена направления вращения (реверс) системы изложница-расплав в момент заливки лигатуры будет оказывать на жидкий слой металла динамическое воздействие, выводя ее иэ состояния относительного покоя.

Вектор скорости струи жидкой лигатуры не будет совпадать (повернут на 90о) с вектором скорости вращающейся системы. В очаге падения струи жидкой лигатуры в слой жидкой фазы залитого первого металла будет образовываться интенсивное торможе- ние, что нарушит ламинарный режим и приведет к турбулентному вихревому движению всю жидкую фазу. Возникшие вихри перемещаются в толщу ° жидкости и перемешивают ее и, тайим образом, создаются условия для обламывания растущих кристаллов, растворяя жидко-твердую фазу в массе расплава и выравнивания границы сопряжения контактируемых металлов.

После окончания заливки жидкой лигатуры через время, определяемое толщиной жидкой фазы и количеством введенной лигатуры, происходит процесс релаксаций системы, вновь образо ванный сплав приходит в состояние

1068217

Сумма легирующих, 0 - 5! элементов, вес.Ъ, l0 — 20

5 - 10

О, 60-0, 75 О, 75-0, 85 О, 85-0, 95 О, 95-1, 20 1, 2-1, 3

0 40,-0 60

И м- и ф+ К

9 покоя и будет находиться в таком состоянии до полного затвердевания.

Процесс перемешивания оставшегося в жидкой состоянии металла наружного слоя с жидкой лигатурой будет полнее, чем в случае перемены враще- 5 ния (реверса) системы изложница— расплав с созданием на внутренней поверхности биметаллической отливки гравитационного коэффициента, состав. ляющего 0,75-3,00 от исходной величины.

Уменьшение скорости вращения до величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки, соответствующей 0,75 от исходной величины, может привести к дождеванию, кроме того, не обеспечит

Ъ оптимальные условия для равномерного перемешивания и процесс будет неуправляем. увеличение .скорости вращения свише трехкратной исходной величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки приведет к разрыву сплошности иэделия, к трещинам, т.е. к браку. Предлагаемый способ может быть осуществлен на существующих центробежных машинах с горизонтальной, наклонной и вертикальной осями вращения. Перед работой центробежной 30 машины проверяется ее работоспособность. Изложницу покрывают теплоизоляционным покрытием. Устанавливают

После затвердевания необходимой толщины наружного слоя, заливают расплавленную лигатуру на еще не затвердевший слой с изменением направления вращения изложницы. Количество залитой лигатуры Q определяется из соотношения

an=9M К, (2)

ВК 50 где 9„ - количество залитой лигатури, кг.

При этом скорость вращения изложницы в момент реверса и до полного затвердевания отливки должна соответствовать, 0,75-3,00 от исходной величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки. После полного затвердевания отливки 60 вращение изложницы прекращают, извлекают отливку и охлаждают ее до комнатной температуры.

Так, например, для получения центробежнолитой биметаллической труби и закрепляют всю необхрдимую оснасз ку на машине, крепят и центрируют заливочную чашу. Носок заливочной чаши вводят в полость горловины изложницы на 20-100 мм и фиксируют в таком положении. Изложницу приво1 ят во вращение с такой скоростью, тобы гравитационный коэффициент на внутренней поверхности залитого слоя составил 30-90:ед. После этого осуществляют заливку металла, формирунв его наружный слой. Причем заливают такое количество металла, которое необходимо для формирования наружного и части внутреннего слоев.

Крличество первоначально залитого металла определяется по формуле .

9

1+ 6M k

Я где Я„, - количество первоначально залитого металла, кг;

6) — общее количество залитого металла, т.е. вес биметаллической отливки, кг;

Я вЂ” количество металла внутреннеВн

rO СЛОЯ ИЗДЕЛИЯ, КГ1

К вЂ” коэффициент легированности.

К=0,4 — 3, О

Коэффициент легированности К зависит от концентрации легирующих элементов в металле внутреннего слоя и при расчетах принимается в соответствии с экспериментальными данными, приведенными в табл. 1.

Таблица l

20 — 40 40-60 60 — 80 (сталь 30 — наружный слой и сталь

95Х18-внутренний слой) с наружным диаметром 350 мм, граничным- -257 мм, внутренним-148 мм и длиной 3600 мм (для прокатки в трубы на размер: наружный диаметр 219 мм, граничный — .

178 мм и внутренний-138 -мм, пред назначенных для изготовления цилиндровых втулок буровых насосов) необходимо 1552 кг стали 30 и 980 кг стали 95Х18.

Общий вес биметаллической отливки составляет 2232 кг (О).

Расчет количества залитого распла ва производится согласно приведенных выше формул.

Вее первой порции металла, формирующего наружный слой н часть внутреннего, определяется по формуле (1)г

1068217 ая 9 80

A>=8 К=1630 . 0,84 602 кг

2232

После эатнердевания наружного слоя толщиной 46,5 мм оставшийся в жидком состоянии слой толщиной .17,8 мм, весом 378 кг смешивают с жидкой лигатурой весам 602 кг для получения заданного химического состава внутреннего слоя и заданной толщины 54,5 мм.

10 на этом основании была подготовлена шихта, состав компонентов которой приведены н табл.2.

Та блица 2

Из таблицы 1 определяем коэффициент легированности, который будет равен

0,84(сумма легирующих элементов буЬет 1+18=19). Подставляя значения, получим

Состав шихты,кг

Вес, кг

Сплавы

С F е Мп ГеСг

Fe бой элект45% метал- лом лич.71,7% раскисл.

10,0 — 1605,0 1,0 1630,0

5,0

9,0

Сталь 30

Лигатура

4,0

9,8

Таким образом, для получения заданного химического состава металла внутреннего слоя лигатура должна содержать 1,49% углерода и 29,78% 30 хрома.

Выплавка стали и лигатуры осуществляется в открытых индукционных печах методом сплавления.

Выпуск стали 30 иэ печи н объеме 35

1630 кг производит я в разогретый ковш, который подается к центробежной машине при достижении температу ры жидкого металла 1560-1580 С по термопаре погружения. 40

Заливка расплава осуществляется через заливочную чашу во вращакщуюся изложницу, покрытую теплонзоляционным песчаным покрытием толщиной 6 мм.

Скорость вращения изложницы Равна 45

637,5 об/мин (исходная), что соответствует гравитационному коэффициенту

50 на внутренней поверхности отливки (радиус которой равен 110,7 мм)..

Весовая скорость заливки составляет 18 кг/с.

50 Для -выравнивания фронта кристаллизации металла наружного слоя по всей длине изложницы применяется дифференцированное брызгальное охлаждение.

Через 8 мин после начала заливки

30 (за это время затвердевает слой из стали 30 толщиной 46,5 мм) но вращающуюся изложницу через заливочную чашу вводят расплавленную лигатуру весом 602 кг. 60

В момент подачи лигатуры изменяют направление вращения изложницы (т.е. произнодят реверс) с изменением скорости вращения до 854 об/мин, что соответствует гравитационному

2232 1630 кг.

Я

1+ ------ - О, 84

2232

Количество лигатуры, необходимой для формирователя внутреннего слоя биметаллической трубы, составит

250,0 337,0 0,5 602,0

1 коэффициенту, Равному 60 ед. (Радиус свободной поверхности 74 мм) на внутренней поверхности биметалличес кой отливки.

Скорость заливки лигатуры составляет 15 кг/с.

В результате изменения направления вращения (реверса) вся вращающаяся система испытывает торможение.

Оставшийся жидкий металл (сталь 30 весом 378 кг, толщиной слоя 178 мм) интенсивно перемешивается с залитой лигатурой. При этом происходит процесс гомогенизации, т.е. усреднение состава внутреннего слоя.

После конца заливки происходит процесс релаксации системы, вновь образованный сплав перестает испытывать возмущающие действия и постепенно возвращается н состояние относительного покоя. Гравитационный коэфФициент до полного затверденания отливки остается постоянным-60 ед.

Образованный внутренний слой име ет следующий химический состав:

С 0,96; Сч 18 2; 5i 0,19 и Мп 0,28.

После. конца эатнердевания вращение изложницы прекращается, раскрепляются и удаляются запорные устройства, извлекается отливка, которая до комнатной температуры охлаждалась на воздухе.

Для сравнения по известному способу отливают биметаллическую отливку наружным диаметром 350 мм и длиной

3600 мм. Металл подают в станционарную изложницу снизу. Температура заливки основного металла (стали 30) составляет 1580ОС, а лигатуры-для легиронания сердцевины отливки-1490С

1068217

Содержание элементов,%

Способ .. Место от- - — —.— -«-— бора проб С - и Мп Сч

ЮЮ Ю ЮЮЮЮ Ю ЮЮЮЮЮ

0,95 0,17 0,31 17,9

0 96 0,18 0,27 18,0

Предлага- 1 емый

0 98 0,17

Оу77 ОФ14

0,28. 18,2

О ° 26 15,8

Известный 1

0,.89 0,26 0 28 17,1

0 17 0,28 0 .32 19,5

ЮЦЮ ЮЮЮЮюЮаЮЮЮЮЮЮЛт\Ю ЮЛ

ЕЮЮЮ ЧЕ ЧЮ 1

Место от-бора цросодериание элементов;а

Величина гравита . циониого коэффициента

Сч

0i94 015 0,27 17,2

3,7,5

Оэ92 0,20 Ое32 17,4

0,99 0,16 0,17 18,8

0,95 0,18 0 27 18,1

150,0

0 95 0,20 0,28 18,1

0196 0,19 0,26 18,2

0,93 0,19 0,28 17,9

93,75

Оj96 0,19 0,24 18,1

0,98 0,16 0,27 18,4

Как видно из табл. 3, предлагае- ние элементов по всему объему внутвый cnocoei по сравнению с известным реннего слоя отливки, а следовательобеспечивает равномерное распределе . нО, и однороднос ь свойств. по термопаре погружения. Скорость заливки основного металла и лигатуры составляет 14 и 10 кг/с соответственно..

В результате получают сплошную биметаллическую отливку с наружным слоем из стали 30 и внутренним as стали 95Х18.

Для контроля содериання химических элементов so внутреннем слое отливок, полученный предлагаемым и известньвю 10

Результаты экспериментов на гра- 30 ничные значения гравитационных коэффициентов и при оптимальном,а именно при гравитационных коэффкциеитах, составляющих от исходного (50 ед)

35 способами, отбирают пробы в трех точках по толщине слоя:

1) у зоны сопряжения, 2) по середине слоя1

За) с использованием предлагаемого-у внутренней поверхности б) .с использованием-известного-в осевой зоне °

Химический состав определяется по стандартным методикам. Результаты анализа приведены в табл.З.

Таблица 3

D,75<1,875, 3,0 к фактически равных

37,5 93у75g 150,0, и числа оборотовр составляющих 675 1068у 1351 об/мин соответственно, приведены в, .табл. 4.

Та блица 4

1068217

Загрязненность неметаллическими включениями, баллов

Способ," Место отбора проб

1/2 длины в задней отливки части в головной част и

Предлагаемый

4,5

Известны

3,5

4,5

Составитель A.Èèíàåâ

Редактор Анд.О1андор Техред С.Мигунова КоРРектоР Л.Патай

I с т л

Заказ 11367/9 Тираж 779 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Т-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Для сравнения загрязненности металла неметаллическими включениями былиотобраны образцы и изготовлены металпографические шлифы..Образцы, как и пробы на химический анализ, отбирались в трех точках: -y эоны сопряже" ния,-по середине слоя, с использова1

Как видно иэ табл. 5, загрязнен-. ность неметаллическими включениями в 3О предлагаемом способе значительно ниже„ чем в известном, что обуславливает более высокие механические свойства.

Для определения качества сварки между двумя соседними слоями металлов биметаллические отливки, полученные предлагаемым и известным способаМи, были Разрезаны в осевом сечении. Проведенные контрольные замеры и вйэуальные наблюдения показали, что зона сварки представляет прямую линию с отклонением отливки 1,5 мм и одинаковым соотношением толщин слоев вдоль всей длины, в известном 45 способе зона сопряжения представлена ломаной линией с нарушением соотношения слоев по дли-. не. нием предлагаемого у внутренней поверхности, с использованием известно в осевой эоне1 контроль неметалличес ких включений в металле осуществляет ся согласно ГОСТа 1778-77.

Результаты контроля приведены .в табл. 5.

Предлагаемый способ по сравнению с базовым объектом повышает качество отливки за счет гомогенизации состава, а отсюда получение однородных свойств по веему объему внутреннего слоя (табл.3); повышает качество сварки и стабилизирует соотношение сопрягаемых слоев по всей длине за счет создания одинакового теплоотвода по длине вращающейся изложницы; уменьшает степень загрязнения внутреннего слоя биметаллической отливки за счет сепарации неметаллических включений,как более легких, на внутреннюю поверхность.

Зкономический эффект от использования предлагаемого способа, полученный за счет повышения качества отливки, составит 611,71 руб, на

1 т. оиметаллических. rpy6. Предварительная потребность труб в год составит 250 т.