Способ изготовления чугунного кокиля

 

Изобретение относится к литейному производству. По заданной модели кокиля формируют полость в форме из огнеупорного материала. Устанавливают в ней расплавляемую вставку, например, из алюминия. Жестко фиксируют вставку штырями для повышения ее устойчивости и предотвращения всплытия. В полость формы заливают жидкий чугун плоской струей с температурой чугуна 1240-1260^oС и со скоростью подъема чугуна в форме 18-22 мм/с. Это обеспечивает равномерный разогрев вставки. На границе взаимодействия чугуна и вставки при ее расплавлении формируется зона равномерной толщины с мелкозернистой структурой металла. Изготавливаемый кокиль имеет высокую точность конфигурации и высокое качество литой рабочей полости. 3 ил.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении одноместных и многоместных чугунных кокилей, например кокилей для изготовления мелющих тел.

Известен способ изготовления кокиля литьем, включающий формирование полости литейной формы для отливки кокиля из песчано-глинистой смеси, установку в форму одного или нескольких песчаных стержней, заливку формы металлом и последующее извлечение из формы затвердевшей отливки кокиля и стержней [см., например, Кокильное литье. Дубинин Н.П., Беликов О.А., Вязов А.Ф. и др. - М.: Машиностроение, 1967, с.262-263].

Недостатком указанного способа является низкая точность конфигурации и невысокое качество рабочей полости изготавливаемого кокиля в результате использования недостаточно прочного песчаного стержня со значительной шероховатостью поверхности, а также из-за низкой теплопроводности материала стержня, препятствующей образованию в рабочей стенке кокиля плотной зоны с мелкозернистой структурой металла. Все это приводит к дополнительной механической обработке кокиля, что значительно снижает эксплуатационную стойкость последнего.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ изготовления чугунного кокиля, включающий формирование полости литейной формы из огнеупорного материала по заданной модели кокиля, установку в нее расплавляемой вставки, периферийную заливку в полость литейной формы жидкого чугуна, последующее удаление из формы металла расплавляемой вставки и затвердевшей отливки чугунного кокиля. При этом периферийную заливку жидкого чугуна осуществляли вертикально с небольшим наклоном струи в 2-3^o и температурой чугуна 1300-1320^oС [см. статью Вдовина К.Н., Кожемякина С.П., Воронцова А.В. Изготовление отливок с расплавляемыми вставками, ж. "Литейное производство", 1996, 6, с. 10].

Недостатком известного способа является невозможность изготовления чугунного кокиля с точной конфигурацией и высоким качеством рабочей поверхности вследствие смещения алюминиевой вставки при сборке литейной формы и возможности всплытия при струйной заливке в форму жидкого чугуна. Все это приводит к деформации кристаллизующейся корочки расплава чугуна в зоне его контакта с материалом вставки и образованию разнотолщинной зоны с мелкозернистой структурой в поверхностном слое рабочей стенки изготовляемого кокиля, а также к искажению профиля его внутренней полости. Кроме того, на границе контакта легкоплавкого материала с расплавом чугуна, имеющим t=1300-1320^oС, в результате протекания экзотермической реакции химического взаимодействия металлов происходит резкое повышение температуры, что приводит к преждевременному оплавлению вставки, а следовательно, и к искажению конфигурации рабочей поверхности изготавливаемого кокиля.

В основу изобретения поставлена задача разработать такой способ изготовления чугунного кокиля, который обеспечил бы получение высокоточной и качественной литой рабочей полости кокиля путем формирования в поверхностном слое рабочей стенки изготавливаемого кокиля протяженной зоны равномерной толщины с мелкозернистой структурой металла.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления чугунного кокиля, включающем формирование полости литейной формы из огнеупорного материала по заданной модели кокиля, установку в нее расплавляемой вставки, периферийную заливку в полость литейной формы жидкого чугуна, последующее удаление из формы металла расплавляемой вставки и затвердевшей отливки чугунного кокиля, согласно изобретению при установке расплавляемую вставку жестко фиксируют в полости литейной формы, а периферийную заливку жидкого чугуна осуществляют плоской струей с температурой чугуна 1240-1260^oС и со скоростью его подъема в форме 18-22 мм/с.

Известна жесткая фиксация песчаного стержня в полости литейной формы при изготовлении отливок с внутренними полостями. Жесткая фиксация предназначена для обеспечения устойчивости стержня [см., например, Титов Н.Д., Степанов Ю. И. Технология литейного производства. - М.: Машиностроение, 1985, с.169-170] .

В заявляемом способе операция жесткой фиксации вставки в полости литейной формы также предназначена для повышения устойчивости вставки от смещения ее относительно заданного положения в процессе изготовления чугунного кокиля.

Однако наряду с известным техническим свойством заявляемый признак проявляет новое техническое свойство, заключающееся в обеспечении постоянного и равномерного давления расплава вставки на формирующуюся по ее контуру чугунную корочку, что приводит к образованию строго фиксируемой целостной бездефектной зоны с мелкозернистой структурой чугуна в рабочей стенке изготавливаемого кокиля.

Известна заливка металла в полость формы плоской струей [см. Кокильное литье. Дубинин Н. П., Беликов О.А., Вязов А.Ф. и др. - М.: Машиностроение, 1967, с.114].

Как в известном, так и в заявляемом способе эта операция предназначена для плавного заполнения формы металлом.

Кроме того, в заявляемом способе указанная операция предназначена для создания нового технического результата, а именно, смещение зоны высоких температур жидкого чугуна от легкоплавкой вставки к периферии полости литейной формы, что позволяет предотвратить преждевременный нагрев и расплавление вставки до момента контакта ее поверхности с жидким чугуном.

Отличительные признаки, характеризующие температурный и скоростной режим заливки чугуна в полость литейной формы, в известных технических решениях не обнаружены.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ изготовления чугунного кокиля не следует явным образом из известного уровня техники, а, следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображен общий вид литейной формы в собранном виде перед заливкой чугуна, в разрезе; на фиг.2 - то же на стадии заливки чугуна; на фиг.3 - то же перед удалением затвердевшей отливки многоместного чугунного кокиля.

Заявляемый способ изготовления чугунного кокиля реализуется в литейной форме, которая состоит из двух разъемных в вертикальной плоскости полуформ 1 и 2 (фиг.1-3), выполненных соответственно в опоках 3 и 4, заполненных огнеупорным материалом, например песчано-глинистой смесью. Полуформы 1 и 2 в собранном виде образуют замкнутую полость 5 (фиг.1), выполненную по заданной модели изготавливаемого кокиля. При этом в верхней части полуформы 1 сформирована любым известным способом литниковая система, состоящая из смещенного в сторону периферийной стенки полости 5 стояка 6 с воронкой 7, а в нижней ее части сформирована знаковая часть 8, предназначенная для размещения в полости 5 литейной формы расплавляемой вставки 9. В полуформе 2 (фиг.1) в уровне нижней границы знаковой части 8 выполнен наклонный канал 10 с пробкой 11 из тугоплавкого металла, предназначенный для выпуска самотеком из полости 5 литейной формы металла расплавляемой вставки 9.

Расплавляемая вставка 9 выполнена из легкоплавкого материала, например алюминия, и имеет фиксирующие элементы 12 (фиг.1) любой известной формы, например штыри, которые предназначены для усиления устойчивости и обеспечения жесткой фиксации расплавляемой вставки 9 при установке ее в литейную форму. В зависимости от назначения изготавливаемого чугунного кокиля расплавляемая вставка 9 может быть выполнена в виде неразветвленного стержня или в виде стержня, сопряженного с любым количеством парных симметричных элементов, имеющих форму отливок кокиля, например шаров или цилиндров. На фиг.2 позицией 13 обозначена плоская струя чугуна, подаваемая в полость 5 литейной формы, а на фиг.2 и 3 позицией 14 обозначена зона с мелкозернистой структурой чугуна в изготавливаемой отливке чугунного кокиля.

Способ изготовления чугунного кокиля осуществляется следующим образом.

Вначале формируют полость 5 (фиг. 1, 2) литейной формы с литниковой системой из огнеупорного материала, например песчано-глинистой смеси, в соответствии с заданной разъемной моделью кокиля по любой известной технологии [см., например, Титов Н.Д., Степанов Ю.И. Технология литейного производства. - М. : Машиностроение, 1985, с.94-95]. В полости 5 литейной формы расплавляемую вставку 9 (фиг.1), выполненную из алюминия по форме внутренней рабочей полости изготавливаемого кокиля, устанавливают с жесткой фиксацией. Для этого вначале расплавляемую вставку 9 посредством фиксирующих элементов, например штырей 12, жестко фиксируют в теле полуформы 2, а затем ее нижнюю часть фиксируют путем размещения в знаковой части 8 полуформы 1. Полуформы 1 и 2 жестко соединяют между собой и собранную таким образом литейную форму устанавливают плоскостью разъема в вертикальное положение. Выполнение операции жесткой фиксации расплавляемой вставки 9 способствует повышению ее устойчивости в полости 5 литейной формы как во время сборки последней, так и при последующей заливке в форму жидкого чугуна, а также исключает возможность всплытия вставки 9 из-за разности плотностей жидкого чугуна и материала вставки. Затем через воронку 7 (фиг.2) и стояк 6 по периферийной стороне полости 5 осуществляют заливку в литейную форму жидкого чугуна. Периферийную заливку жидкого чугуна ведут плоской струей 13 с температурой чугуна 1240-1260^oС и со скоростью подъема чугуна в форме 18-22 мм/с. При этом плоскую струю 13 жидкого чугуна формируют с помощью соответствующего сечения стояка 6, например сечения в виде трапеции.

В результате этого происходит равномерный разогрев и расплавление металла вставки 9 с одновременным формированием на границе взаимодействия горячего чугуна с холодной поверхностью вставки 9 зоны равномерной толщины с мелкозернистой структурой металла.

Это обеспечивается тем, что заливка жидкого чугуна плоской струей 13 в полость 5 (фиг.2) литейной формы позволяет сместить зону высоких температур жидкого чугуна от расплавляемой вставки к периферии полости 5, предотвращая тем самым преждевременный нагрев и расплавление вставки 9 до момента контакта поверхности последней с жидким чугуном. Кроме того, жесткая фиксация расплавляемой вставки 9 обеспечивает постоянство давления в объеме уже расплавленной нижней части вставки 9, находящейся в замкнутом пространстве между стенкой полуформы 2, еще твердой верхней частью вставки 9 и корочкой, формирующейся на контакте вставки 9 с жидким чугуном, в результате чего предотвращается колебание давления расплава вставки 9 на образующуюся чугунную корочку, а следовательно, исключается механическое разрушение последней. Таким образом, в заявляемом способе создаются условия для формирования по контуру вставки 9 протяженной зоны 14 (фиг.2, 3) с мелкозернистой структурой чугуна, имеющей равномерную толщину, что позволяет получать внутреннюю рабочую полость изготавливаемого кокиля с высокой точностью конфигурации и высококачественной поверхностью.

Заливка жидкого чугуна с температурой 1240-1260^oС в полость 5 литейной формы обеспечивает на границе его контакта с холодной вставкой 9 быстрое снятие теплоты перегрева расплава чугуна, что позволяет уже на первом этапе кристаллизации по контуру вставки 9 создать прочную чугунную корочку, выдерживающую давление как со стороны расплава вставки 9, так и со стороны жидкого чугуна, и одновременно с этим сформировать в рабочей стенке изготавливаемого кокиля зону 14 с мелкозернистой структурой чугуна равномерной толщины.

Скорость подъема чугуна в литейной форме, равная 18-22 мм/с, способствует опережающему формированию прочной оконтуривающей чугунной корочки на границе контакта "жидкий чугун - вставка" до момента полного расплавления вставки 9 и одновременному образованию зоны равномерной толщины с мелкозернистой структурой в поверхностном слое рабочей стенки кокиля, что обеспечивает высокую точность конфигурации и качество поверхности изготавливаемого кокиля.

Осуществлять заливку чугуна с температурой ниже 1240^oС нецелесообразно, так как недостаточный перегрев металла над температурой ликвидус приведет к быстрой потере чугуном жидкотекучести, а следовательно, к некачественному формозаполнению.

Осуществлять заливку чугуна с температурой выше 1260^oС также нецелесообразно из-за преждевременного расплавления вставки до момента образования прочной чугунной корочки по ее контуру, что приведет к нарушению конфигурации рабочей полости и снижению качества.

Осуществлять заливку чугуна со скоростью подъема его в форме ниже 18 мм/с и выше 22 мм/с нецелесообразно, так как в первом случае произойдет преждевременное оплавление вставки, а во втором случае - размыв ее поверхности жидким чугуном. Все это приведет к искажению конфигурации рабочей полости изготавливаемого кокиля и снижению качества его поверхности.

Через 2-4 минуты после заливки жидкого чугуна из полости 5 литейной формы удаляют металл расплавившейся вставки 9 (фиг.3) самотеком через наклонный канал 10. Затем охлажденную отливку чугунного кокиля выбивают из формы и отделяют от нее литниковую систему. Изготовленный по заявляемому способу чугунный кокиль не требует дополнительной механической обработки. Материал расплавляемого стержня может быть использован многократно, причем потери его в процессе отливки кокиля незначительны и составляют около 2%.

Таким образом, заявляемый способ изготовления кокиля, являясь малоотходным и ресурсосберегающим, позволяет получить кокиль с высокой точностью конфигурации и качеством внутренней литой рабочей полости.

Формула изобретения

Способ изготовления чугунного кокиля, включающий формирование полости литейной формы из огнеупорного материала по заданной модели кокиля, установку в ней расплавляемой вставки, периферийную заливку в полость литейной формы жидкого чугуна, последующее удаление из формы металла расплавляемой вставки и затвердевшей отливки чугунного кокиля, отличающийся тем, что при установке расплавляемую вставку жестко фиксируют в полости литейной формы, а периферийную заливку жидкого чугуна осуществляют плоской струей с температурой чугуна 1240-1260^oС и со скоростью его подъема в форме 18-22 мм/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3