Способ получения литых штампов

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ШТАМПОВ, включающий послойную заливку сплава в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества литых заготовок и снижения себестоимости, первый слой заливают из высоколегированной износостойкой стали толщиной 10-50% объема литейной формы и ведут его охлаждение с помощью жидкого азота, а после затвердевания его 30-80°/о в литейную форму заливают второй слой из сплава с теплопроводностью , больщей на 20-100%, и температурой начала затвердевания, меньшей на 60-100°С, чем у сплава первого слоя, а направленное охлаждение с помощью жидкого азота прекраш.ают при температуре сплава второго слоя, равной 780-800°С. (Я оо СХ) ю 4 I Жидкий азот Фиг.1

СОЮЗ,СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН,.SU„„1138240

4m В 22 D 27/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3531494/02 (22) 04.01.83 (46) 07.02.85. Бюл. № 5 (72) М. С. Колесников, В. Г. Шибаков, Л. А. Алабин, В. И. Семендий, В. И. Сивко, Э. Н. Корниенко, И. И. Ишкинеев и Н. Л. Фоминых (71) Камский политехнический институт (53) 621.746.58 (088.8) (56) l. Авторское свидетельство СССР № 76497, кл. В 22 D 27/04, 1947.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 520189, кл. В 22 D 27/04, 1974. (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ

ШТАМПОВ, включающий послойную заливку сплава в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества литых заготовок и снижения себестоимости, первый слой заливают из высоколегированной износостойкой стали толщиной 10 — 50% объема литейной формы и ведут его охлаждение с помощью жидкого азота, а после затвердевания его 30 — 80% в литейную форму заливают второй слой из сплава с теплопроводностью, большей на 20 — 100%, и температурой начала затвердевания, меньшей на

60 в 100 (, чем у сплава первого слоя, а направленное охлаждение с помоп ью жидкого азота прекращают при температуре сплава второго слоя, равной 780 — 800 С.

1138240

Изобретение относится к литейному производству, а именно к .литью штампов с направленным затвердеванием.

Известен способ литья деталей, включающий охлаждение отдельных частей формы, например, жидким азотом (1).

Недостатком этого способа применительно к литью штампов является их высокая стоимость, вызванная применением высоколегированной стали на весь их объем.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения литых заготовок, преимущественно сплавов, включающий послойную заливку металла в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки (2), Однако известный способ характеризуется высокой стоимостью и не обеспечивает высокое качество штампов из-за сравнительно низкой -теплопроводности высоколегированной инструментальной стали, что отрицательно сказывается на стойкости шта мпов.

Целью изобретения является повышение качества литых заготовок и снижение себестоимости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения литых заготовок, преимущественно штампов, включающему послойную заливку сплава в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, первый слой заливают из высоколегированной износостойкой инструментальной стали толщиной

10 — 50 /, объема литейной формы и ведут его охлаждение с помощью жидкого азота, а после затвердевания его 30 — 80 /0 в литейную форму заливают второй слой из сплава с теплопроводностью, большей на

20 в 100 /0, и температурой начала затвердевания, меньшей на 60 — 100 С, чем у сплава первого слоя, а направленное охлаждение с помощью жидкого азота прекращают при темперахуре сплава второго слоя, равной 780 — 800 С.

Применение сплава для заливки второго слоя, обладающего теплопроводностью, большей на 20 — 100 /и, чем у спалава для заливки первого слоя, обеспечивает ускорение процесса окончательной кристаллизации и, как следствие, увеличивает производительность способа получения литых штампов, а также улучшает условия теплопередачи йри самоотпуске. Кроме того, при эксплуатации высокая теплопроводность основания штампа позволяет улучшить теплоотвод от разогретой рабочей поверхности инструмента на массу или холодильник, устанав= ливаемый в держателе штампа, что существенно снижает градиент температуры и уровень термических напряжений в контактной зоне штампа и вследствие этого обусловливает повышение его работоспособности.

10

15 го

4О

Интервал различия теплопроводности обусловлен тем, что низколегированные углеродистые стали, которые следует применять при заливке второго слоя, имеют теплопроводность выше, чем у высоколегированной стали, на величину указанных значений. В частности, штамповые высоколегированные стали типа 45ХЗВЗ МФСЛ (ДИ-23), 4ХЗВ2Ф2М2СЛ имеют коэффициент теплопроводности в 1,7 — 2,0 раза меньше, чем углеродистые малолегированные стали типа

45ХС, 40Х, У8.

Меньшая на 60 — 100 С температура начала крист="лизации сплава для второго слоя выбирается из условий обеспечения необходимого переохлаждения незакристаллизовавшегося объема залитого высоколегированного металла. При этом необходимо, чтобы температура заливаемого для второго слоя сплава была не менее чем на

20 — 40 С ниже, чем температура начала затвердевания первоначального залитого сплава для первого слоя.

Применение интенсивного, например с помощью жидкого азота, охлаждения со стороны нижнего торца обеспечивает направленную, снизу-вверх, кристаллизацию заготовки, что позволяет получить мелкодисперсную с благоприятной для износостойкости ориентировкой зерен структуру гравюры штампа. При этом для получения композитной структуры переходного слоя, состоящего из пластической основы малолегированной стали, армированной кристаллами высоколегированной стали, а также с целью предотвращения образования на поверхности раздела неслитин и окисных пленок за.пивку второго сплава для второго слоя начинают в момент, когда направленно закристаллизовалось только 30 — 80 /0 сплава, оформляющего первый слой. Нижнее значение указанного интервала ограничивается необходимостью сохранения условий направленной кристаллизации для легированного расплава, а верхнее — условиями формирования оптимального по величине переходного слоя.

Дополнительное переохлаждение 70 — 20X оставшегося незакристаллизованным объема высоколегированной стали продолжается при заливке формы малолегированным сплавом, имеющим температуру на 20 — 40 C меньшую, чем температура сплава первого слоя, что ускоряет процесс формирования (за счет резкого возрастания центров кристаллизации) композитного переходного слоя с мелкозернистой структурой. Образования такого переходного слоя в штампе повышает его термоциклическую стойкость и сопротивление хрупкому разрушению.

Прекращение интенсивного направленного охлаждения со стороны гравюры штампа в момент, когда температура сплава, идущего для оформления второго слоя, равна

1138240

3

780 — 800 С, предназначено для самоотпуска слоя из высоколегированного с:-,ава.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации, предлагаемого способа, стадия кристаллизации высоколегированного сплава, оформляющего первый слой; на фиг. 2— то же, стадия заливки второго слоя; на фиг. 3 — схема строения слоев заготовки.

Устройство для реализации способа (фиг. 1) содержит кристаллизатор 1 с испарительной камерой 2 для жидкого азота, боковую полуфор иу 3, верхнюю полуформу 4 с выполненными в ней литником 5 и прибылью 6.

Способ реализуют следующим образом.

Жидкий расплав высоколегированного сплава через канал 5 заливают в полость 7 формы и одновременно подают жидкий азот в испарительную камеру 2. Интенсивное охлаждение через испарительную камеру 2 обеспечивает в полости 7 формы направленную снизу вверх кристаллизацию расплава.

Направленную кристаллизацию осуществляют в течение времени, необходимом для затвердевания 30 — 80 / объема залитого высоколегированного сплава. При этом образуется слой направленно закристаллизо; вавшегося расплава 8 (фиг. 1), а часть (20 — 70 /о) расплава 9 (фиг. 1) остается незакристаллизовавшейся.

Затем в полость формы 7 (фиг. 2) производят заливку сплава 10, характеризующегося высокой теплопроводностью и пониженной на 60 —.100 С, чем у сплава залитого для оформления первого слоя, температурой ликвидуса. При этом температуру заливаемого для второго слоя сплава назначают на 20 — 40 С ниже температуры ликвидуса первично залитого сплава, что вследствие дополнительного переохлаждения незакристаллизовавшейся части расплава за счет смешивания двух сплавов создает благоприятные условия для ускорения процесса кристаллизации и формирования мелкозернистого переходного слоя. После завершения кристаллизации металла во всем объеме охлаждение формы жидким азотом прекращают при температуре тела отливки, равной 780 —,800 С.

Структура отливки штампа, полученного предлагаемым способом состоит из трех характерных зон (фиг. 3) . Зона 11 рабочей поверхности штампа представлена износостойким слоем из столбчатых дисперсных кристаллов высоколегированной стали, переходного слоя 12 с композитной структурой, основу которой формирует высокотеплопроводный пластичный металл, армированный кристаллами высоколегированной стали.

Структура слоя имеет плавный переход как по химическому составу так и по размеру зерен от поверхностнолегированного слоя к основанию шта м па.

Последняя зона 13, относящаяся к телу штампа, практически не отличается по химическому составу от.заливаемого сплава для второго слоя.

Пример. В качестве опытных штампов, изготовляемых по предлагаемому способу, выбраны ковочные штампы для процесса

Автофордж. Размеры штампа: ширина

150 мм, длина 180 и внгсота 80 мм.

При опробовании способа для гравюры

10 штампа выбирают высоколегированную сталь 4ХЗВ2Ф2М2СЛ, а для изготовления тела штампа — высокотеплопроводную сталь 9ХС.

Элементы формы «1», «3», «4» (фиг. 1) изготавливаются из цирконового концентрата КЦЭ вЂ” 1, ОСТ 48 — 82 — 74 с доба вкой фенолформальдегидной смолы СФП вЂ” 011Л, ГОСТ 6 — 05 — 441 — 78 в количестве 2,5 — 3 /o по массе. Указанные элементы формы изготавливаются по металлическим моделям. щ При этом металлические модели предварительно подогреваются до 250 С и покрываются из пульверизатора термостойким каучуком СКà — 3, ВТЛУ 51 — 57. Полимеризация формовочной смеси осуществляется при нагреве модели до 400 С в течение

25 мин. Испаритель азота изготовляется из жаростойкого чугуна. Плавка сталей производится в индивидуальной печи. Заливка стали 4ХЗВ2Ф2М2СЛ осуществляется при

1560 С (температура ликвидуса 1507 С. в заливка стали 9ХС вЂ” при 1480 Ñ (температура ликвидуса 1432 С) .

При направленной кристаллизации в зависимости от химического состава стали дисперсная структура может образоваться лишь при определенных значениях соотно35 шения G/R, где G — градиент температур у фронта кристаллизации; R — скорость кристаллизации. Экспериментально установлено, что дисперсия структуры с размерами ячеек 1,2 — 3,0 мкм для стали 4ХЗВ2/

2М2СЛ достигается при G/R > 80 мин/мм при скорости роста кристаллов, R

2,73 мм/мин. При этом обеспечивается градиент температуры в расплаве G

Ф218,4 С/м м, Продолжительность затвердевания стали 4ХЗВ2Ф2М2СЛ устанавливается экспериментально и составляет 1,2 мин. Окончательное затвердевание (второй этап) завершается по истечении 30 мин. Затем форма охлаждается до температуры тела штампа

780 — 800 С, а отливка без охлаждения азотом выдерживается в форме в течение 60 мин для протекания самоотпуска гравюры штампа при 620 — 660 С. Интервал температуры при самоотйуске выбирается из условий обеспечения оптимальной твердости штампа, HRC = 48 — 50.

Использование предлагаемого способа в народном хозяйстве позволяет повысить

1138240

ЯиЬой !

УЯО/77

Фиг. Z

Составитель В. Завьялов

Редактор О. Черниченко Техред И. Верес Корректор Г. Решетник

Заказ 10597, 0 Тираж 747 Подяисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, )K — 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП <Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 качество, а соответственно и работоспособность литых штампов за счет формирования на рабочих поверхностях малодисперсного высоколегированного слоя, характеризующегося высокой износостойкостью, мелкозернистого вязкого переходного слоя и основания из сплава более теплопроводного, экономить дефицитные высоколегированные стали, так как 70 — 50% объем а ш там па выполнено из более теплопроводной, низколегированной стали, что также снижает себестоимость штампа и кроме того, повысить производительность вследствие сокращения времени кристаллизации путем заливки сплава второго слоя с меньшей температурой кристаллизации.