Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для производства отливок литьем по газифицируемым моделям (ЛГМ).

Модифицирование структуры - одна из основных операций в технологии производства отливок из чугуна, алюминиевых, магниевых и других сплавов. При этом перспективным следует считать внутриформенное модифицирование. Ближайшим аналогом является способ получения отливки литьем по газифицируемым моделям, включающий получение моделей в пресс-форме путем нанесения на предварительно вспененные гранулы пенополистирола модификаторов или легирующих добавок в виде краски, последующей сушки, засыпки их в пресс-форму и окончательного вспенивания, сборку моделей в модельный блок, окрашивание модельного блока газопроницаемой антипригарной краской, размещение модельного блока в опоке, заполнение опоки несвязанным формовочным материалом, уплотнение его вибрацией, герметизацию и вакуумирование опоки, заливку металла (Пат. РФ 2048953, 2010. Газифицируемая модель для литых заготовок режущего инструмента и пресс-форма для ее изготовления / Пирайнен В.Ю., Гребешков В.К.)

Наиболее близким по технической сущности является способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям (Пат. РФ 2427442, 2010. Способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям / Лещев А.Ю., Липанов A.M., Овчаренко П.Г., Дементьев В.Б.). В соответствии с этим прототипом на предварительно вспененные гранулы пенополистирола наносят модификаторы или легирующие добавки в виде краски. К окрашенным гранулам пенополистирола добавляют неокрашенные предварительно вспененные гранулы пенополистирола в количестве от 2 до 94% по объему. Гранулы сушат, засыпают в пресс-форму для окончательного вспенивания для изготовления модели. Полученные модели собирают в модельный блок, окрашивают модельные блоки газопроницаемой антипригарной краской, размещают в опоке, засыпают несвязанным формовочным материалом (песком), уплотняют вибрацией, герметизируют, вакуумируют и заливают металлом.

Способ прототипа, хотя и обеспечивает некоторое повышение физико-механических свойств отливок, имеет следующий ряд существенных недостатков:

- наличие трудоемкой и энергоемкой сушки пенополистирола при введении модификатора;

- для тонкорельефных и сложнопрофильных газифицируемых моделей неудовлетворительное распределение модификатора на гранулах пенополистирола с широким разбросом значений толщины их покрытия;

- низкий уровень адгезии частиц модификатора к гранулам пенополистирола, приводящий к преждевременному отслоению модификатора при изготовлении модели;

- нестабильность эффекта модифицирования вследствие слабой адгезии и неравномерного распределения модификатора в объеме полистирольной модели;

- несущественное улучшение литейных свойств алюминиевых и магниевых сплавов при использовании способа прототипа, в частности склонности к образованию трещин;

- недостаточно высокий уровень повышения физико-механических свойств алюминиевых и магниевых сплавов для получения ЛГМ сложно-профильных и тонкорельефных отливок ответственного назначения.

Таким образом, способ прототипа не обеспечивает высокий уровень качества отливок из магниевых, алюминиевых и других сплавов для нужд современной авиационной техники и машиностроения.

В основу изобретения положена техническая задача - ускорение цикла подготовки и обеспечение высоких адгезии и равномерности распределения модификаторов на гранулах пенополистирола, определяющих улучшение как физико-механических, так и литейных свойств сплавов и отливок, полученных ЛГМ, в особенности сложнопрофильных и тонкостенных для авиационной техники и машиностроения.

Указанная техническая задача решается таким образом, что в способе изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям, включающем получение моделей в пресс-форме путем нанесения на предварительно вспененные гранулы пенополистирола модификаторов в виде краски, засыпки их в пресс-форму совместно с неокрашенными гранулами пенополистирола и окончательного вспенивания, сборку моделей в модельный блок, окрашивание модельного блока газопроницаемой антипригарной краской, размещение модельного блока в опоке, заполнение опоки несвязанным формовочным материалом, уплотнение его вибрацией, герметизацию и вакуумирование опоки, заливку металла, согласно изобретению на гранулы пенополистирола наносят химически твердеющий плакирующий состав, мас. %:

а плакирование осуществляют путем впрыскивания аэрозоля плакирующего состава в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью (1…4)×10^-3 кг/с⋅м².

Наноструктурированный алмазный порошок (НАП) состоит из тугоплавких ультрадисперсных частиц. Ультрадисперсный алмаз, или наноалмаз - это углеродная структура, имеющая кристаллическую решетку типа алмаза и размеры от 1…10 нм. При этом наиболее предпочтительно использовать НАП, полученный ударно-волновым синтезом (Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом / В.В. Даниленко. – М.: Энергоатомиздат, 2003. - 272 с.). В результате синтеза в сильнонеравновесных условиях получаются уникальные нанокристаллические структуры. Средний размер частиц соответствует 125…135 нм, доля частиц размером менее 100 нм составляет порядка 20%, что позволяет отнести используемый материал к наноструктурированному.

Нанесение на предварительно вспененные гранулы пенополистирола химически твердеющего состава с модификатором обеспечивает образование плакирующего слоя из НАП, исключающего энергоемкую сушку вспененных гранул пенополистирола. Причем, плакирующий состав является химически твердеющим, а потому создает условия для высокой адгезии его к гранулам пенополистирола.

Проведение плакирования вспененных гранул пенополистирола в кипящем слое путем впрыскивания в него аэрозоля плакирующего состава обеспечивает высокую степень равномерности распределения модификатора на гранулах пенополистирола. Плакирование в кипящем слое позволяет осуществить цикличность процесса и его высокую технологичность. Равномерно распределенные на гранулах пенополистирола и химически связанные с ними частицы модификатора (НАП) вызывают при последующей заливке расплава на такую модель стабильное модифицирование, измельчение структуры сплава и повышение физико-механических свойств отливок в ЛГМ.

Предлагаемый способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям осуществляют следующим образом.

Предварительно вспененные гранулы пенополистирола помещают в аппарат кипящего слоя. Готовят плакирующий состав, % масс.: НАП - 0,5…1,0; периклаз - 1,5…2,0; водный раствор алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) - остальное. Количество периклаза 1,5…2,0% масс. обеспечивает ускоренное химическое затвердевание плакирующего состава на гранулах пенополистирола. Количество модификатора - НАП 0,5…1,0% масс. в плакирующем слое на гранулах пенополистирола создает условия для эффективного и стабильного модифицирования алюминиевых, магниевых и других сплавов.

Указанный химически твердеющий состав впрыскивают в виде аэрозоля в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью (1…4)×10^-3 кг/с⋅м². Удельная скорость впрыскивания - это масса плакирующего состава, впрыскиваемая в единицу времени на единицу площади кипящего слоя пенополистирола. Представленный диапазон значений удельной скорости впрыскивания плакирующего состава обеспечивает высокую степень равномерности покрытия гранул пенополистирола модификатором - НАП. Если удельная скорость будет меньше, чем 1×10^-3 кг/с⋅м², то толщина плакирующей пленки будет недостаточной для стабильного внутриформенного модифицирования расплава в ЛГМ. Если удельная скорость впрыскивания будет больше, чем 4×10^-3 кг/с⋅м², то наблюдается нежелательный эффект преждевременного спекания плакированных гранул пенополистирола и их комкование.

Затем плакированные гранулы пенополистирола смешивают с неокрашенными. Полученную смесь гранул засыпают или задувают в пресс-форму, которая подвергается термической обработке известными способами. Модели собирают в модельные блоки, окрашивают антипригарной газопроницаемой краской, размещают в опоке, заполняют опоки несвязанным формовочным материалом, уплотняют его вибрацией, герметизируют и вакуумируют опоки, заливают металлом. При заливке металла пенополистирол выгорает, а модификатор смешивается с металлом, создавая в нем большое число центров кристаллизации. Это приводит к улучшению качества отливок, повышению физико-механических и литейных свойств сплавов.

Предлагаемый способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Предварительно вспененные гранулы пенополистирола помещают в аппарат кипящего слоя. Готовят плакирующие составы, представленные в таблице 1.

Указанные составы впрыскивают в виде аэрозоля в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью 3×10^-3 кг/с⋅м². Затем плакированные гранулы пенополистирола смешивают с неокрашенными, которые составляют 20% по объему. Полученную смесь гранул засыпают в пресс-форму, которая подвергается электронагреву. Модели собирают в модельные блоки, окрашивают антипригарной газопроницаемой краской, размещают в опоке, заполняют опоки несвязанным формовочным материалом, уплотняют его вибрацией, герметизируют и вакуумируют опоки. Подготовленные опоки заливают алюминиевым сплавом АК7 (ГОСТ 1583-93) и магниевым сплавом МЛ5 (ГОСТ 2856-79) при температуре 720…730°C.

Из каждой плавки отливались образцы для механических испытаний и технологическая проба, по излому которой оценивалась структура сплава. Определялись также литейные свойства сплава: жидкотекучесть по спиральной пробе (ГОСТ 16438-70), линейная усадка, склонность к образованию трещин на технологических пробах по размеру кольца (методика Спектровой С.И. и Лебедевой А.А.). Для этого готовый сплав заливали в специально подготовленные литейные формы. Образцы для механических исследований термообрабатывались по режиму Т4.

Сравнительные показатели способов изготовления отливок ЛГМ представлены в таблице 2.

Пример 2. Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям осуществляют аналогично примеру 1. При этом используют состав №5, как показавший наилучшие технологические свойства. Варьируют удельную скорость впрыскивания плакирующей смеси на гранулы пенополистирола: (1, 2, 4)×10 кг/с⋅м². Ее влияние на структуру и свойства отливок представлено в таблице 3.

Таким образом, из данных таблиц 2 и 3 видно, что предлагаемый способ позволяет значительно ускорить процесс подготовки гранул пенополистирола для изготовления моделей за счет химически твердеющего плакирующего слоя. Наноструктурированный материал, входящий в плакирующий состав, обеспечивает его высокую адгезию к гранулам пенополистирола. В результате достигается существенное улучшение как физико-механических, так и литейных свойств сплавов.

Учитывая повышенный комплекс свойств отливок, предлагаемый способ может быть использован практически в любых отечественных и зарубежных цехах ЛГМ.