Способ литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением и устройство для его осуществления

Изобретение относится к литейному производству. Расплав выдавливают в полость заформованной в контейнере оболочковой формы при температуре выше ликвидуса и давлении, обеспечивающем заполнение оболочковой формы без разбрызгивания металла. После заполнения оболочковой формы расплавом осуществляют выдержку под давлением, полученным в процессе выдавливания. Выдержку производят до кристаллизации слоя расплава, прилегающего к стенкам оболочковой формы. Затем до конца отливки давление на расплав повышают на величину, достаточную для компенсации усадки отливки. На наружной поверхности горловины контейнера устройства установлена съемная огнеупорная втулка, а стакан металлоприемника оснащен облицованным кольцом. Кольцо по своему внутреннему диаметру сопряжено с наружным диаметром огнеупорной втулки. Разность между внутренними диаметрами облицованного стакана и огнеупорного кольца больше суммарной толщины слоя расплава, закристаллизовавшегося на стенках стакана и огнеупорной втулки. Благодаря образованию при кристаллизации слоя расплава, прилегающего к внутренним стенкам формы, обеспечивается возможность приложения большего давления к расплаву и тем самым повышения качества литья. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к литью по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением, преимущественно металлических изделий.

Известен способ литья выжиманием металла в форму с кристаллизацией под давлением, патент №2015829, кл. B22D 18/02, 1994, заключающийся в том, что расплавленный металл заливают в камеру выжимания с перегревом для стали преимущественно на 30-60°С над температурой ликвидуса и перед выжиманием производят выдержку до намораживания на стенках камеры выжимания корочки металла. Недостатком этого способа является то, что выдержка металла в камере выжимания может довести расплав до твердо-жидкой фазы. Как известно, давление наиболее эффективно, когда передается жидкой фазе. Поэтому в процессе заливки из камеры выжимания в форму, во время которого идет дальнейшая кристаллизация уже охлажденного металла, эффективность давления снижается. Это может выразиться в недостаточном проливании тонких мест отливки, волнистой поверхности отливки из-за потери жидкотекучести или привести к дефектам усадочного характера в связи с недостатком жидкой фазы для питания, и в целом, привести к существенной потере качества отливки.

Наиболее близким к заявленному находится способ литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением, патент №2048954, кл. В22С 9/04, B22D 27/04, 1995, прототип, в котором предварительно заформованную оболочковую форму закрепляют на верхнем столе над металлоприемником, а выдавливание расплава осуществляют при помощи пуансона, причем выдавливание производят при температуре начала кристаллизации сплава и последующем поддержании давления на расплав 0,3-0,5 МПА до затвердевания отливки, а скорость и продолжительность заполнения формы регулируют массовым расходом расплава в пределах 2-5 кг/с.

Недостатком известного способа является низкая прочность керамических оболочковых форм, предназначенных, при их общепринятой технологии изготовления, для свободной заливки, а не под давлением. Прочность оболочковых форм и соответственно величина максимально возможного рабочего давления зависит от количества нанесенных слоев при изготовлении многослойных форм, от используемых основных материалов и связующих, точности соблюдения технологических режимов их изготовления, условий их формовки в контейнере для заливки, размеров и материала отливки, режимов заливки и других параметров. Поэтому трудно теоретически рассчитать величину давления в оболочковой форме, а для изготовления новых изделий этим способом литья каждый раз требуется опытная проверка принятого давления исходя из действительной прочности формы. Кроме того, в процессе изготовления оболочковых форм, например при их прокалке, на оболочке формы могут возникать микротрещины, которые не оказывают влияния на качество литья при свободной заливке, но при приложении давления могут привести к разрыву формы.

Известно устройство для литья с кристаллизацией под давлением, патент №2116865, кл. В22D 18/02, 1998, прототип, содержащее металлоприемник, установленный на нижнем столе, контейнер с оболочковой формой, закрепленный на верхнем столе, причем металлоприемник выполнен в виде основания и сменного стакана, между днищами которых размещен теплоизоляционный слой, а контейнер выполнен из корпуса, крышки и горловины. При этом в основании сменного стакана выполнены отверстия для выхода газа.

Недостатком известного устройства является то, что после заливки металла в металлоприемник на всей высоте его боковых стенок начинает образовываться закристаллизовавшийся слой сплава (корочка металла), препятствующий движению пуансона в металлоприемнике и подаче расплава через горловину контейнера в форму, что в свою очередь может привести к дефекту недолива формы. При такой конструкции устройства особенно негативно влияние этой корочки после заполнения формы расплавом во время его кристаллизации, когда толщина корочки в металлоприемнике на пути движения пуансона интенсивно нарастает и препятствует выдавливанию металла из пресс-остатка в форму для питания отливки во время ее усадки при завершении кристаллизации. Это снижает качество литья и сводит к минимуму преимущества литья под давлением, поскольку давление прилагается уже не к расплаву, а к металлической корочке в металлоприемнике.

Единой технической задачей группы изобретений является повышение качества литья за счет возможности приложения большего давления к расплаву в упрочненной оболочковой форме, полученной путем образования при кристаллизации слоя расплава, прилегающего к ее внутренним стенкам (металлической оболочки) с одновременным снижением негативного влияния процесса кристаллизации корочки, образованной в металлоприемнике, препятствующей выдавливанию расплава в оболочковою форму.

Единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается за счет того, что выдавливание расплава в полость заформованной оболочковой формы осуществляют при температуре выше температуры ликвидуса и давлении, обеспечивающем заполнение оболочковой формы без разбрызгивания жидкого металла, после заполнения оболочковой формы расплав выдерживают под давлением, установленным в процессе выдавливания в течение времени кристаллизации слоя расплава, прилегающего к стенкам оболочковой формы, после чего до конца кристаллизации всего расплава в оболочковой форме давление плавно повышают до величины, достаточной для питания отливки на величину объема ее усадки.

Единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается благодаря тому, что устройство для литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением, содержащее металлоприемник, установленный на нижнем столе и выполненный в виде основания и съемного стакана, облицованного изнутри жидкостекольной смесью, контейнер с заформованной оболочковой формой, закрепленный на верхнем столе над металлоприемником и выполненный в виде корпуса и крышки с горловиной, соосной металлоприемнику, согласно изобретению оно снабжено съемной огнеупорной втулкой, расположенной на наружной поверхности горловины контейнера, и облицованным жидкостекольной смесью кольцом, установленным на верхнем торце стакана и сопрягаемым по своему внутреннему диаметру с наружным диаметром огнеупорной втулки, причем внутренний диаметр кольца меньше внутреннего диаметра стакана на величину, большую суммарной толщины слоя расплава, закристаллизовавшегося в процессе заполнения и выдержки до конца кристаллизации на стенках стакана и огнеупорной втулки.

Указанная совокупность признаков по объекту-способу является новой и обладает изобретательским уровнем исходя из нижеследующего. Выдавливание расплава в полость заформованной оболочковой формы осуществляют при температуре выше температуры ликвидуса, что обеспечивает хорошую жидкотекучесть и контакт расплава со стенками формы для создания благоприятных условий теплопередачи при формировании металлической оболочки на внутренней поверхности оболочковой формы. Величину давления определяют из условия отсутствия разбрызгивания жидкого металла в форме при ее заполнении с определенной скоростью. Максимальный расход при этом, а через него и скорость заполнения жидкого металла могут быть рассчитаны теоретически (см. Борисов Г.П. Давление в управлении литейными процессами. - Киев: Наук. думка, 1988., стр.121, формула IV-18]. Практически (если, например, используется гидропривод) это расчетное давление может быть задано аппаратно и проконтролировано по показанию манометра на гидроприводе перемещения металлоприемника. Быстрое заполнение формы необходимо для получения равномерной толщины последующего образования металлической оболочки на внутренней поверхности керамической оболочковой формы. После заполнения формы расплавом давление в ее полости поддерживают на уровне достигнутого в процессе выдавливания. Это условие обеспечивает минимальные требования по обеспечению сохранности керамической формы от разрушения на время кристаллизации слоя расплава, прилегающего к стенкам оболочковой формы, когда идет образование металлической оболочки на внутренней поверхности керамической оболочковой формы. Толщина этой металлической оболочки пропорциональна времени кристаллизации отливки и для прилегающего слоя может быть принята по величине 5-10% от времени кристаллизации наиболее тонких мест отливки. Затем за оставшееся время кристаллизации всего расплава в оболочковой форме давление плавно повышают до достаточного для питания отливки на величину объема ее усадки. Плавное повышение давления снижает риск разрушить керамическую форму. Достаточным является такое давление, при котором обеспечивается питание отливки из пресс-остатка в металлоприемнике на величину объема усадки при кристаллизации. Величина усадки для большинства используемых литейных сплавов является известной характеристикой. Поэтому достаточность давления можно определить по перемещению металлоприемника относительно формы в процессе кристаллизации, которое пропорционально величине усадки, либо по отсутствию дефектов усадочного характера при контроле качества отливки. В целом, металлическая оболочка на внутренней поверхности оболочковой формы позволяет повысить рабочее давление, обеспечивая при этом более высокое качество отливки.

Указанная совокупность признаков по объекту-устройству является новой и обладает изобретательским уровнем, так как снабжение устройства съемной огнеупорной втулкой, расположенной на наружной поверхности горловины контейнера, позволяет исключить соприкосновение горловины в металлоприемнике со стенками заполненного расплавом стакана. При этом образующийся в процессе заполнения на холодных стенках как облицованного жидкостекольной смесью стакана, так и огнеупорной втулки закристаллизовавшийся слой расплава не будет препятствовать их относительному движению, если между ними имеется зазор. Этот зазор образован облицованным жидкостекольной смесью кольцом, установленным на верхнем краю съемного облицованного жидкостекольной смесью стакана и имеющим внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра облицованного стакана. В свою очередь, наружный диаметр огнеупорной втулки сопрягается по подвижной посадке с внутренним диаметром облицованного жидкостекольной смесью кольца, что обеспечивает замкнутое пространство при выдавливании расплава в оболочковой форму. Величина этого зазора подбирается экспериментально один раз по наиболее длительному процессу заполнения и выдержки до конца кристаллизации. В радиальном измерении он берется больше суммарной толщины одностороннего слоя расплава, закристаллизовавшегося в процессе заполнения и выдержки до конца кристаллизации на стенке облицованного жидкостекольной смесью стакана и стенке огнеупорной втулки. Закристаллизовавшийся слой расплава под нижней плоскостью облицованного жидкостекольной смесью кольца не оказывает существенного сопротивления движению, так как не имеет под собой опоры. Огнеупорная втулка выполнена съемной, так как в конце процесса заполнения схватывается по боковой поверхности затвердевшим пресс-остатком и при опускании нижнего стола с металлоприемником снимается с горловины контейнера и остается в металлоприемнике.

Таким образом, приведенная совокупность признаков устройства позволяет обеспечить беспрепятственное движение металлоприемника в горловине контейнера при различных скоростных режимах и с возможными остановками, обеспечивая выполнение технической задачи по упрочнению оболочковой формы путем получения дополнительной металлической оболочки на внутренней поверхности керамической оболочковой формы при кристаллизации слоя расплава, прилегающего к ее внутренним стенкам.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано устройство для литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением, по которому осуществляется предлагаемый способ литья.

Устройство для литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением состоит из станины 1 с неподвижным верхним столом 2 и нижним столом 3, подвижным от гидропривода 4. К верхнему столу жестко прикреплен контейнер 5 с заформованной в наполнитель оболочковой формой 6. На горловине 7 контейнера 5 установлена съемная огнеупорная втулка 8, которая удерживается на нижней плоскости горловины 7 затвором 9. Затвор 9 также держит наполнитель в контейнере 5 и заливочный канал с отверстием 10 оболочковой формы 6. На нижнем столе 3 установлен металлоприемник 11, содержащий основание 12, в пазах 13 которого с гарантированным зазором находится съемный стакан 14 с внутренней газопроницаемой облицовкой 15. Затвор 9 и облицовка 15 могут быть выполнены из стержневой, например, жидкостекольной смеси. В верхней части боковой образующей съемного стакана 14 выполнены отверстия 16 для выхода газа. На верхнем краю съемного стакана 14 установлено облицованное со стороны его полости кольцо 18. Огнеупорные втулка 8 и центральное отверстие облицованного жидкостекольной смесью кольца 18 по своей наружной и внутренней поверхности соответственно образуют сопрягаемую пару с подвижной посадкой. Для взаимного центрирования кольца 18 и огнеупорной втулки 8 на последней и кольце 18 выполнены заходные фаски. Величина «Е», показанная на чертеже, больше суммарной толщины одностороннего слоя расплава, закристаллизовавшегося в процессе заполнения и выдержки до конца кристаллизации на стенке стакана 14 и стенке огнеупорной втулки 8. Нижний стол 3 установлен на штоке гидропривода 4, который жестко закреплен на станине 1.

Устройство также оснащено стандартными средствами автоматического контроля и управления параметрами работы гидропривода 4: путь, время, скорость перемещения штока, давление (не показаны).

Способ осуществляется следующим образом.

Керамическую оболочковую форму 6 изготавливают, прокаливают по серийной технологии, затем помещают в контейнер 5 с наполнителем так, чтобы край заливочного отверстия 10 находился на уровне торца горловины 7 контейнера 5. На горловину 7 надевают огнеупорную втулку 8, а торец горловины 7 заформовывают, оставляя вход заливочного отверстия 10, жидкостекольной смесью, образуя затвор 9. Контейнер 5 закрепляют на верхнем столе 2 станины 1 так, чтобы горловина 7 располагалась соосно металлоприемнику 11.

Внутреннюю полость съемного стакана 14 перед постановкой на основание 12 металлоприемника 11 облицовывают жидкостекольной смесью. На верхнем торце стакана 14 закрепляют облицованное жидкостекольной смесью кольцо 18. Установленный на основании 12 стакан 14 центрируют относительно горловины 7.

Аппаратурой гидропривода по расчетному расходу расплава 7-8 кг/с предварительно устанавливают скорость заполнения 0,15-0,2 м/с и давление в пределах 0,2-0,3 МПа.

Пример выполнения способа.

Литье проводилось для коррозионностойкой аустенитной стали. Расплавом заполняют металлоприемник 11 при температуре на 25±10С° выше температуры ликвидуса до уровня, близкого к облицовке кольца 18, и сразу включают гидропривод 4 и проводят заполнение жидким металлом из металлоприемника 11 формы 6. После заполнения формы 6 шток гидропривода 4 останавливают в верхнем положении. С этого момента расплав выдерживают под установленным давлением 0,2-0,3 МПа в течение 6-8 с. Затем за оставшееся время полной кристаллизации 1,3-1,5 мин (получено при компьютерном моделировании процесса заливки) давление равномерно поднимают до 5-6 МПа, развиваемого гидроприводом. За это время шток перемещается на небольшую величину, пропорциональную величине усадки металла, 2-2,5%, но именно это перемещение для питания отливки при относительно высоком давлении устраняет дефекты усадочного характера, обеспечивает высокую плотность и механические показатели, в конечном результате высокое качество отливки.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом заполнения к верхнему столу 2 станины 1 жестко крепится контейнер 5 с заформованной в него оболочковой формой 6 и надетой на его горловину 7 съемной огнеупорной втулкой 8. При этом наполнитель контейнера 5 и огнеупорная втулка 8 удерживаются затвором 9. На нижнем столе 3 в пазы 13 основания 12 металлоприемника 11 устанавливается предварительно облицованный жидкостекольной смесью съемный стакан 14. На верхний торец стакана 14 устанавливается облицованное жидкостекольной смесью кольцо 18. Включением гидропривода 4 металлоприемник 11 поднимается до горловины 7 с огнеупорной втулкой 8, которая центрируется относительно облицованного жидкостекольной смесью кольца 18 путем перемещения стакана 14 в горизонтальной плоскости за счет гарантированного зазора в пазах 13 основания 12. Затем металлоприемник 11 опускается в исходное положение. Устройство готово к работе.

Жидким металлом заполняют металлоприемник 11 примерно до уровня нижней плоскости облицовки кольца 18. Включается гидропривод 4. Металлоприемник 11 со стаканом 14 поднимается и кольцом 18 входит в огнеупорную втулку 8 горловины 7, которая через заливочное отверстие 10 выдавливает жидкий металл в оболочковую форму 6. При этом из формы 6 через ее оболочку и из стакана 14 через его газопроницаемую облицовку 15 вытесняется газ (воздух). После заполнения оболочковой формы 6 жидким металлом шток гидропривода 4 останавливается в верхнем положении и выдерживается несколько секунд. При этом будет проходить кристаллизация слоя жидкого металла в металлоприемнике 11 по стенкам облицовки 15 стакана 14, облицовке кольца 18 и на горловине 7 с огнеупорной втулкой 8. После выдержки давление в гидроприводе 4 повышают до рабочего до конца кристаллизации жидкого металла во всем объеме отливки. За счет разности «Е» между внутренними диаметрами облицованных жидкостекольной смесью стакана 14 и кольца 18 во время выдержки не происходит их схватывания затвердевшим слоем металла, а шток гидропривода 4 имеет возможность перемещаться, обеспечивая питание отливки жидким металлом из металлоприемника 11 до конца процесса кристаллизации.

После завершения процесса кристаллизации гидропривод 4 включают на обратный ход. Металлоприемник 11 опускается в исходное положение, захватывая вместе с собой огнеупорную втулку 8 за счет образования на ней закристаллизовавшегося металла. С нижнего торца горловины 7 легкому отрыву пресс-остатка способствует непрочность облицовки затвора 9. Контейнер 5 с готовой отливкой снимают с верхнего стола 2 станины 1 для выемки отливки. Стакан 14 снимают для замены облицовки. К устройству крепится следующий комплект из контейнера 5 с установленной на его горловине огнеупорной втулкой 8 и стакана 14 металлоприемника 11. Цикл повторяется.

1. Способ литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением, включающий выдавливание расплава из металлоприемника, облицованного огнеупорным материалом, в полость заформованной оболочковой формы, размещенной над металлоприемником, и выдержку под давлением до конца кристаллизации расплава, отличающийся тем, что выдавливание расплава в полость оболочковой формы осуществляют при температуре выше температуры ликвидуса и давлении, обеспечивающем заполнение оболочковой формы без разбрызгивания жидкого металла, после заполнения оболочковой формы расплав выдерживают под давлением, установленным в процессе выдавливания в течение времени кристаллизации слоя расплава, прилегающего к стенкам оболочковой формы, после чего до конца кристаллизации всего расплава в оболочковой форме давление плавно повышают до величины, достаточной для питания отливки на величину объема ее усадки.

2. Устройство для литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением, содержащее металлоприемник, установленный на нижнем столе и выполненный в виде основания и съемного стакана, облицованного изнутри жидкостекольной смесью, контейнер с заформованной оболочковой формой, закрепленный на верхнем столе над металлоприемником и выполненный в виде корпуса и крышки с горловиной, соосной металлоприемнику, отличающееся тем, что оно снабжено съемной огнеупорной втулкой, расположенной на наружной поверхности горловины контейнера, и облицованным жидкостекольной смесью кольцом, установленным на верхнем торце стакана и сопрягаемым по своему внутреннему диаметру с наружным диаметром огнеупорной втулки, причем внутренний диаметр кольца меньше внутреннего диаметра стакана на величину, большую суммарной толщины слоя расплава, закристаллизовавшегося в процессе заполнения формы и выдержки до конца кристаллизации на стенках стакана и огнеупорной втулки.