Графитовая форма для литья железнодорожных колес

 

Изобретение относится к литью железнодорожных колес в графитовые формы. Сущность изобретения: форма содержит верхнюю и нижнюю опоки, выпоры, выполненные в верхней опоке. Вокруг каждого выпора выполнена выемка, между которыми в виде полосы проходит углубление. На выемки и углубления нанесена песчаная облицовка для уменьшения теплопередачи формы. 2 с.и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относитcя к области металлургии, точнее к графитовой форме для литья железнодорожных колес.

Отливки в течение веков производились в изложницах различных форм, включая песчаные, стационарные штампы и графитовые формы. Используемые для литья материалы включают в себя расплавленные бронзу, латунь, железо, алюминий и сталь, а также другие элементы и сплавы.

Способы литья разрабатывались применительно к свойствам литьевого материала, требуемого или необходимого качества поверхности готовой отливки, требуемой структурной целостности отливки, а также стоимости способа литья.

Типично для некоторых первых способов литья был выпуск плавки расплавленного железа из черновой плавильной печи или домны в форму, образованную в песке или грязи.

Способы литья развивались и совершенствовались для достижения лучшего управления химией литья, температурой выпуска литья, температурой плавки, скоростями разливки, устройством ковша, а также другими средствами литья и разливки.

Среди более прогрессивных способов следует отметить выбор материалов формы, чтобы содействовать большей износостойкости пресс-формы, обеспечить улучшенное управление скоростями теплопередачи и получать более гладкие поверхности отливаемого изделия.

Графитовые формы используются в литейной и плавильной промышленности благодаря их свойствам эффективной теплопередачи, относительно высокой стойкости к износу и эрозии, обеспечивающим увеличение количества отливок, полученных в одной форме, и более быстрое охлаждение отлитых изделий в форме.

Эти графитовые формы также использовались в плавильной промышленности для достижения более точного управления размерами отливаемых изделий, что сокращает вторичные отделочные операции и обеспечивает изделие, готовое для отгрузки. Как в большинстве плавильных форм и литейных средств, эти графитовые формы имели стояки и литниковые воронки (выпоры), которые давали возможность выпускать газы и пары во время литья и отверждения.

Высокая скорость теплопередачи графита является одновременно положительным и отрицательным фактором, так как дает возможность быстрого теплоотвода от расплавленного металла, но может также привести к увеличению появления пористости в отверждающей отливке. Поэтому было установлено необходимым не только управлять скоростью охлаждения в разных точках отливки. Выгодно изменять скорость охлаждения в отношении более тонких и более толстых секций отливки, чтобы содействовать более равномерной скорости охлаждения и отверждения в каждой из секций отливки в форме.

Формы, конструкция форм и практика их использования изменяются в широком диапазоне, (Вендт Р. Е. Литейное дело, 4-е изд. 1942; Сильвия Дж.Жерина Технология литых металлов, 1972) Хотя эти разработки охватывают три десятилетия, многие из способов и устройств являются одинаковыми или аналогичными.

Усовершенствования в технологии, отмечаемые в последнем упомянутом источнике, касаются понимания кинетики операции и химических частиц, однако компоненты форм остаются в большинстве теми же самыми, т.е. стояк, литниковая воронка (выпор), полость формы, верхняя опока и нижняя опока формы.

Эти основные компоненты остаются частью данной области техники, но тем не менее предпринимаются постоянные усилия усовершенствовать практику литья, структуру формы и химию металла с целью улучшения готового изделия, его внутренней структуры и готовой поверхности.

Патент США N 3614053 является иллюстрацией попыток улучшения литья и описывает литниковую воронку для формы, состоящей из двух опок. Эта воронка имеет пару секций, упруго и шарнирно смонтированных на соответствующих опоках формы. Так как опоки формы соединяются для образования литейной полости, пара воронок одновременно соединяется для образования герметизированной полости воронки.

Подобная конструкция использовалась для того, чтобы повысить скорость цикла литья в форме.

Альтернативные конструкции литниковых воронок формы описаны и показаны в патентах США (N 3409267 и 3498366) и патенте Re. 24655.

Последний упомянутый патент раскрывает способы формирования и обжига воронок в отверстиях стояков форм. Эти воронки из невоспламеняющегося материала такого, как стержневая смесь и сухое связующее, обожженные для образования гладкой прочной воронки или чаши со стенками, которые будут выводить газ из реакции между расплавленным металлом и графитом.

В патенте США N 3498366 раскрыты связанные смолой песочные части в графитовой форме для обеспечения улучшенных поверхностных условий для отливаемых изделий и получения охлаждаемых поверхностей износа в графитовых контактных участках, а также более мягкой поверхности в песчаных контактных участках отливаемого изделия.

Воронка с отдельной относительно большой и повторно используемой верхней секцией раскрыта в патенте США N 3409267.

Другие способы литья и плавки, используемые для увеличения срока службы формы и получения улучшенных отливок посредством использования формовочных красок для покрытия литниковых поверхностей формы, описаны в патенте США N 3684004.

На передней поверхности формы с центрально расположенным литником толщина покрытия формовочной краски изменяется обратно пропорционально расстоянию от центральной линии формы.

Эти формовочные краски обычно наносятся распылением по литниковым поверхностям формы суспензии покрывающего материала такого, как кварц, циркон, кристабалит и т.п.

Патент США N 3684004 описывает средство для предотвращения нахлесток, сморщиваний и прерываний в процессе нанесения покрытия краски на форму.

Требование в отношении улучшенных изделий литья охватывает все стороны литья, т. е. химический состав, кристаллографическую структуру, физические свойства, поверхностную отделку, минимальные потери материала, требования шлифования и структурную целостность. Этот последний параметр особенно важен в литых изделиях, подвергающихся механическим работам и износу, или в отливках, которые несут чередующиеся или постоянные тяжелые нагрузки.

Требование улучшенного качества иллюстрируется литыми железнодорожными колесами, которые подвергаются износу, тяжелой вертикальной и торсионной нагрузке и истиранию. Эти трудные физические требования делают акцент на обеспечение качественного литья, и одна из основных характеристик структурной целостности отливки состоит в непрерывности или минимизации микропористости в отливке Эта плотность отливки контролируется путем ультразвукового исследования и является показателем или по крайней мере считается показателем высокого качества железнодорожного колеса в отношении требования эффективного технического обслуживания.

Меры более ранней практики литья по улучшению структурной целостности литых железнодорожных колес включали в себя увеличение числа литниковых воронок, а также и сообщение с перегородкой полости формы для улучшения выпуска газа и пара и обеспечения источника горячего металла для заполнения пустот во время охлаждения и сжатия отливки.

Для непрерывного заполнения полости в отливке горячим металлом считается необходимым свести до минимума микропористость отливки.

Из патента США N 3480070 известна графитовая форма для литья железнодорожных колес, содержащая верхнюю и нижнюю опоки с рабочими поверхностями, образующими при смыкании опок литейную полость, и по крайней мере два выпора, выполненных в верхней опоке и проходящих от ее рабочей поверхности до наружной поверхности. Выпоры служат для отвода газов и в качестве прибылей.

Патент США N 3480070 касается усовершенствования формирования радиальных планок, которые прилегают к ободу колеса. Вследствие быстрого сжатия металла, охлаждающегося внутри формы многократного использования, поверхность формы сопротивляется сжатиям, препятствуя таким образом какому-либо отделению горячего металла от поверхности формы. В результате было невозможно отлить строго радиальные планки. Решение заключалось в том, чтобы облицовывать планки на формах многократного использования "временными" планками, изготовленными из материала, содержащего связанную формовочную смесь или отвержденный шликер. "Временные" планки первоначально формировали строго радиальные планки в отливке, затем они саморазрушались по мере того, как силы сжатия металла воздействовали на материал. После разрушения планки были свободны для того, чтобы далее охлаждаться и сжиматься без препятствия со стороны поверхностей формы многократного использования.

Таким образом, вышеописанная графитовая форма не обеспечивает регулирование скоростей охлаждения отливок посредством теплопередачи, а обеспечивает только средства для приспособления к эффектам быстрого неконтролируемого охлаждения.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание графитовой формы для литья железнодорожных колес, обеспечивающей уменьшение пористости и улучшение структурной целостности отлитых колес. Этот технический результат достигается тем, что в графитовой форме для литья железнодорожных колес, содержащей верхнюю и нижнюю опоки с рабочими поверхностями, образующими при смыкании опок литейную полость, по крайней мере два выпора, выполненных в верхней опоке и проходящих от ее рабочей поверхности до наружной, согласно изобретению, на рабочей поверхности верхней опоки вокруг каждого выпора выполнена выемка, а между смежными выемками выпоров углубления в виде полосы, причем на выемки и углубления нанесена песчаная облицовка для уменьшения теплопередачи формы.

Целесообразно, чтобы выпор представлял собой цилиндрический канал, а полоса имела ширину по рабочей поверхности по крайней мере, равную диаметру канала.

Вышеуказанный результат достигается также и тем, что в графитовой форме для литья железнодорожных колес, содержащей верхнюю и нижнюю опоки с рабочими поверхностями, образующими при смыкании опок литейную полость, по крайней мере два выпора, выполненных в верхней опоке и проходящих от ее рабочей поверхности до наружной, согласно изобретению, на рабочей поверхности верхней опоки выполнены углубления в виде полосы, проходящей между смежными выпорами.

Целесообразно, чтобы в верхней опоке было выполнено, по крайней мере, десять выпоров, представляющих собой цилиндрические каналы, а полоса углублений была выполнена между каждой парой смежных выпоров.

Предпочтительно, чтобы полоса углублений имела ширину по рабочей поверхности верхней опоки по существу, равную диаметру цилиндрического канала.

Желательно, чтобы глубина полосы, определяемой от рабочей поверхности, по существу была равна половине диаметра цилиндрического канала.

Можно, чтобы в поперечном сечении полоса углублений была выполнена полусферической с радиусом по существу, примерно равным половине диаметра цилиндрического канала.

Целесообразно, чтобы на рабочей поверхности верхней опоки около каждого выпора была выполнена выемка, при этом углубления были выполнены между каждыми смежными выемками.

Предпочтительно, чтобы имелась облицовка из изоляционного материала, выполненная на каждом выпоре, выемке и углублении и образующая непрерывную поверхность.

Преимуществом настоящего изобретения является осуществление контроля скорости охлаждения отливок путем теплопередачи внутри формы для регулирования образования пористости отливки, так как быстрое и неконтролируемое охлаждение способствует образованию микропористости.

Благодаря выполнению выемки на рабочей поверхности верхней опоки вокруг каждого выпора, формированию между смежными выемками выпоров углубления в виде полосы и заполнению каналов выпоров, выемок и углублений огнеупорным материалом уменьшается скорость теплопередачи от расплавленного металла в полости формы во время затвердевания металла и снижается образование микропористости из-за быстрого охлаждения литого металла в колесных перемычках, что приводит к увеличению внутренней структурной целостности отлитых колес.

На фиг. 1 показан вертикальный вид в поперечном сечении графитовой формы для литья железнодорожных колес, согласно изобретению, и процесс сифонной разливки металла; на фиг. 2 в увеличенном масштабе частичный вид в перспективе рабочей поверхности верхней опоки графитовой формы, с незаполненными огнеупорным материалом выпорами, выемками и углублениями; фиг. 3 то же самое, что и на фиг. 2, но с заполненными огнеупорным материалом выпорами, выемками и углублениями; фиг. 4 в увеличенном масштабе вид в перспективе рабочей поверхности верхней опоки графитовой формы, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения; фиг. 5 в увеличенном масштабе вид двух выпоров, выемок и углублений, выполненных в виде полосы на рабочей поверхности верхней опоки, показанной на фиг. 4; фиг. 6 вид в поперечном сечении типового железнодорожного колеса от центральной линии ступицы до обода; фиг. 7 вертикальный вид инструмента для вырезания полосы углублений на рабочей поверхности верхней опоки графитовой формы.

Графитовая форма 1 для литья железнодорожных колес в устройстве 2 для сифонной разливки металла показана на фиг. 1. Эта форма содержит верхнюю 3 и нижнюю опоку 4 с соответствующими рабочими поверхностями 5, 6, образующими при смыкании опок 3, 4 по линии 7 литейную полость 8.

В верхней опоке 3 выполнены два выпора 9, проходящих от рабочей поверхности 5 до наружной поверхности 10 верхней опоки 3 и являющиеся выпускными проходами для газов и паров, а также образующими резервуар для расплавленного металла для заполнения полости 8 во время затвердевания отливки и снижения микропористости в литом колесе. Литейная полость 8 сообщена с ванной 11 расплавленного металла посредством трубы 12 и стояка 13.

Рабочая поверхность 6 нижней опоки 4 является непрерывной или сплошной поверхностью за исключением отверстия 14 ступицы 15 железнодорожного колеса 16, поперечное сечение которого показано на фиг. 6 и является сечением от ступицы 15 до обода 17 колеса 16.

Контур рабочей поверхности 6 включает в себя поверхность внутренней поверхности колеса 16 и обеспечивает относительно ровную поверхность колеса с минимальными возможностями возникновения или пустот по причине эффектов гравитации и непрерывную подачу горячего расплавленного металла для заполнения любой образующей пустоты во время охлаждения и сжатия отливки.

Нижняя опока 4 является секцией графитовой формы 1 с высокой скоростью теплопередачи для ускорения охлаждения отливки и обеспечения более высокой производительности.

Кроме того, скорость износа графитовой формы относительно номинальна, и любой эродированный или отслоившийся графит оказывает незначительный эффект или вовсе не влияет на химию литья стальных или чугунных отливок, так как он может быть введен в раствор как углерод или как включение в зерно, нечетко ограниченного от углерода сплава.

Верхняя опока 3 (фиг. 2-4) имеет выпуклый контур на рабочей поверхности 5, который накладывается на вогнутую конфигурацию на рабочей поверхности 6 нижней опоки 4 для образования полости 8.

В иллюстрированном контуре железнодорожного колеса (фиг. 6) относительно тонкая перемычка 18 соединяет сегмент обода 17 с сегментом ступицы 15, и смежно с наружной частью или сегментом обода 17 выпоры 9 открываются в полость 8.

Точное расположение выпоров 9 в верхней опоке 3 и, таким образом, положение относительно литейной полости 8, относится к выбору проектируемой конструкции, но в этом примере железнодорожного колеса положение выпоров 9 является таким, как показано.

Выпоры 9 используются в литейной промышленности для вентилирования формовочной полости 8 и образования резервуара горячего металла для компенсации усадки отливки во время охлаждения, которая ведет к пористости или "трубке" в изложнице.

Хотя пористость является естественным явлением в отливках, будь то отливки в пресс-формах или изложницах, пористость может быть разрушительной для структурной целостности готового изделия, которое может использоваться, как оно отлито, или подвергаться вторичным отделочным операциям. Как следствие, колесолитейная промышленность продолжает поиск и исследование способов, устройств и химии для улучшения производства колес.

Выпоры 9 (фиг. 1) представляют собой каналы 19 с боковой стенкой 20 и огнеупорным вкладышем. Выпор 9 проходит от верхней поверхности 10 через верхнюю опоку 3 к литейной полости 8 и становится вровень с обеими поверхностями на верхнем и нижнем концах 22 и 23 канала 19.

Более конкретно, вкладыш 21 становится вровень с поверхностями на верхнем и нижнем концах 22, 23 канала 19.

На рабочей поверхности 5 верхней опоки 3 вокруг каждого выпора 9 выполнена выемка 24, а между смежными выемками 24 выпоров 9 выполнены углубления в виде полосы 25. Полоса 25 углублений имеет ширину по рабочей поверхности 5, по крайней мере равную диаметру канала 19 выпора 9.

На выемки 24 и углубления полосы 25 нанесена песчаная облицовка для уменьшения теплопередачи формы 1.

Выемки 24 образуют увеличенные гнезда для вкладышей В иллюстрируемом варианте выполнения вкладыши 21 могут быть образованы путем заполнения выпора 9 выемки 24 огнеупорным материалом, имеющим связующее или другой теплочувствительный реагент. Форма 1 вообще находится при температуре выше комнатной из-за предшествующей отливки горячего металла или может предварительно нагреваться до заданной температуры, чтобы избежать литейных проблем, причем степень нагрева и температура являются адекватными для термообработки огнеупорной смеси. Огнеупорный материал в канале 19 выпора 9 подвергается термообработке в заданный период времени, в течение которого огнеупорная смесь затвердевает, образуя толщину стенки. При последующем перевертывании верхней опоки 3 удаляются остатки незатвердевшего огнеупорного материала и получают отверстие или канал 19. Однако огнеупорный материал на рабочей поверхности 5 и в выемках 24 обычно полностью затвердевает, что требует сверления или другого растачивания материала из канала 9, чтобы открыть канал 26 в выемке 4.

На фигурах заполненные огнеупорным материалом выемки 24 выглядят как шайбы или кольцевые гнезда, которые действуют как отличные изоляторы во время охлаждения отливки.

Исторически практика развивалась в сторону образования дополнительного числа выпоров 9 для обеспечения структурно более целостных или плотных отливок с пониженной микропористостью. Это особенно целесообразно при производстве железнодорожных колес, где требование структурной целостности связано с безопасностью эксплуатации колес.

Таким образом, альтернативная практика литья, разработанная для производства колес для дизельных локомотивов, использовала повышенное число выпоров 9 с целью компенсации усадки охлажденной отливки и снижения микропористости в готовых литых колесах. Практика литья с использованием повышенного числа выпоров 9 была успешной для понижения микропористости.

В одном из вариантов выполнения изобретения в верхней опоке 3 выполнено десять выпоров 9, представляющих собой цилиндрические каналы 19, а полоса 25 углублений выполнена между каждой парой смежных выпоров 9. Ширина полосы 25 о рабочей поверхности 5 верхней опоки 3 равна диаметру канала 19, а ее глубина, определяемая от рабочей поверхности 5, равна половине этого диаметра.

Однако существует температурный градиент между смежными выемками 24, которые были заполнены огнеупорным материалом. Этот температурный градиент связан с различием в теплопроводности между огнеупорным материалом вкладышей 21 и графитом формы 1. Поэтому полоса 25 углублений на рабочей поверхности 5 предназначена понижать температурный градиент между каждыми двумя смежными выемками 24.На некоторых фигурах полоса 25 проходит полностью вокруг рабочей поверхности 5 и выглядит как серия дуг 27, соединяющих смежные выемки 24.

В предпочтительном варианте реализации полоса 25 скруглена в своей вершине 28 и в поперечном сечении выполнена полусферической с радиусом, равным половине диаметра цилиндрического канала 19 выпора 9, как показано на фиг. 2, что способствует сдвиганию с места огнеупорного материала после удаления отлитого изделия, тем самым обеспечивая приготовление формы для следующего литья.

В качестве средства для подготовки и образования полосы 25 углублений на рабочей поверхности 5 может использоваться инструмент 29 (фиг. 7) с заданным радиусом его режущей кромки 30 в качестве рабочего инструмента для вырезания или расточки полосы 25 углублений на поверхности 5 до требуемой глубины и с округленной формой вершины выемки 28.

После образования полосы 25 и полоса 25, и канал 19 выпора 9 заполняются огнеупорным материалом, пропитанным связующим веществом, для одновременной термообработки. После этого верхняя опока 3 переворачивается для удаления незатвердевшего огнеупорного материала, и канал 26 просверливается, протыкается или иначе открывается для образования открытого сообщения через выпор 9 в верхней части 3.

Более конкретно, контур нижней и верхней рабочих поверхностей 5 и 6 соответственно обработаны в формовочные поверхности как графитовые формы 1, которые являются полупостоянными формами для повторного использования по производству многочисленных отливок и подвержены зрозии и износу. Поэтому формы 1 разбираются, и каждая верхняя опока 3, и нижняя опока 4 закрепляются в патроне токарного, фрезерного или другого обрабатывающего станка (не показан) для повторной обработки их рабочих поверхностей 5 и 6 для последующего повторного использования и литья. Инструменты для образования контуров на рабочих поверхностях 5 и 6 могут монтироваться на расточном шпинделе, и инструмент 9 может аналогичным образом монтироваться в таком расточном шпинделе с тем, чтобы производить дугообразные углубления на поверхности 5 между смежными выпорами 9.

В эксплуатации форма 1 аналогична ранее известным, однако полоса углублений 25 во взаимодействии с выемками 24 на поверхности 5 верхней опоки 3 представляет непрерывное огнеупорное или изоляционное кольцо (облицовку) по отношению к расплавленному металлу в литейной полости 8. Таким образом, считается, что эффекты теплового охлаждения в области выемок 24 и выпоров 9 будут более равномерными и будут сдерживать температурный градиент эффекта охлаждения, что ведет к более равномерному охлаждению отливаемого изделия и препятствует образованию микропористости в отливке. После охлаждения отливка может быть изъята обычным образом, и верхняя опока 3, и нижняя опока 4 формы 1 могут транспортироваться в соответствии с нормальной литейной практикой, чтобы удалить из них огнеупорный материал.

Формула изобретения

1. Графитовая форма для литья железнодорожных колес, содержащая верхнюю и нижнюю опоки с рабочими поверхностями, образующими при смыкании опок литейную полость, по крайней мере два выпора, выполненных в верхней опоке и проходящих от ее рабочей поверхности до наружной, отличающаяся тем, что на рабочей поверхности верхней опоки вокруг каждого выпора выполнена выемка, а между смежными выемками выпоров углубления в виде полосы, причем на выемки и углубления нанесена песчаная облицовка для уменьшения теплопередачи формы.

2. Форма по п. 1, отличающаяся тем, что выпор представляет собой цилиндрический канал, а полоса углубления имеет ширину по рабочей поверхности, по крайней мере равную диаметру канала.

3. Графитовая форма для литья железнодорожных колес, содержащая верхнюю и нижнюю опоки с рабочими поверхностями, образующими при смыкании опок литейную полость, по крайней мере два выпора, выполненных в верхней опоке и проходящих от ее рабочей поверхности до наружной, отличающаяся тем, что на рабочей поверхности верхней опоки выполнены углубления в виде полосы, проходящей между смежными выпорами.

4. Форма по п.3, отличающаяся тем, что в верхней опоке выполнено по крайней мере десять выпоров, представляющих собой цилиндрические каналы, а полоса углублений выполнена между каждой парой смежных выпоров.

5. Форма по п.4, отличающаяся тем, что полоса углублений имеет ширину по рабочей поверхности верхней опоки, по существу равную диаметру цилиндрического канала.

6. Форма по п.5, отличающаяся тем, что глубина полосы, определяемой от рабочей поверхности, по существу равна половине диаметра цилиндрического канала.

7. Форма по п.6, отличающаяся тем, что в поперечном сечении полоса углублений выполнена полусферической с радиусом, по существу равным половине диаметра цилиндрического канала.

8. Форма по п.3, отличающаяся тем, что на рабочей поверхности верхней опоки около каждого выпора выполнена выемка, при этом углубления выполнены между каждыми смежными выемками.

9. Форма по п.8, отличающаяся тем, что она содержит облицовку из изоляционного материала, выполненную на каждом выпоре, выемке и углублении и образующую непрерывную поверхность.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7