Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам получения отливок методом литья по газифицируемым моделям.

Из уровня техники известен способ получения отливок литьем по газифицируемым моделям, при котором противопригарное покрытие наряду с огнеупорным наполнителем дополнительно содержит легирующие элементы (порошковый кремний) для улучшения обрабатываемости отливок (а.с. СССР №697244, B22C 3/00, опубл. 15.11.1979, бюл. №42).

Недостатком данного способа является сложность в обеспечении равномерного распределения легирующих элементов и, как следствие, затруднение диффузии легирующих элементов в поверхностный слой отливок и сложность в получении равномерного легированного слоя на поверхности отливок.

Наиболее близким по технической сущности является способ модифицирования поверхности отливок (Патент РФ №2391177 C2, B22C 3/00, опубл. 10.06.2010), включающий нанесение на поверхность модели из пенополистирола модифицирующих и легирующих поверхность отливок элементов в виде пасты, краски или пудры с последующим нанесением противопригарного покрытия.

Недостатком данного способа является формирование легированного слоя на поверхности отливок за счет процессов растворения, диффузии и массопереноса легирующих элементов в поверхностном слое, что не позволяет формировать легированный слой значительной толщины и заданного состава, поскольку процессы диффузии и образования фаз в значительной степени зависят от состава заливаемого расплава и сродства элементов расплава к легирующим элементам.

Все это снижает универсальность способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности способа выражается в возможности формирования легированного слоя значительной толщины (до 10 мм) и заданного состава, не зависимо от марки заливаемого железоуглеродистого сплава, за счет протекания в данной легирующей композиции СВС-реакции (самораспространяющийся высокотемпературный синтез), которая обеспечивает, с одной стороны, формирование требуемого фазового состава, а с другой - хорошую адгезию легированного слоя к заливаемому железоуглеродистому сплаву.

Способ осуществляется следующим образом.

Легирующую композицию, состоящую из смеси порошкообразных титана (60÷90% масс.) и элементарного углерода (40÷10% масс.) смешивают с клеевым связующим, содержание которого не превышает 90% от массы порошкообразной смеси, после чего ее наносят на поверхность модели из пенополистирола. Применение легирующей композиции с содержанием титана менее 60% масс. не позволяет инициировать СВС-реакцию и, как следствие, получить легированный слой требуемой толщины и состава. Легирующая композиция, содержащая более 90% титана, вызывает его растворение в поверхностном слое отливки, затрудняет начало СВС-реакции и не обеспечивает получения качественного легированного слоя с заданным составом и толщиной. Количество клеевого связующего выбирается исходя из требуемой толщины легированного слоя и не превышает 90% от массы порошкообразной смеси титана и элементарного углерода. Применение легирующей композиции, содержащей более 90% масс. клеевого связующего приводит к значительному газовыделению при изготовлении отливок и формированию неравномерного и пористого легированного слоя. Для предотвращения изменений параметров модели способ предусматривает применять при изготовлении легирующей композиции клеевые составы, не взаимодействующие, в том числе не растворяющие пенополистирол. Крупность легирующих порошкообразных материалов (титана и элементарного углерода) лежит в пределах от 1 нм до 6 мм. Фракцию менее 1 нм технически сложно получить, а применение порошков с крупностью более 6 мм не позволяет инициировать СВС-реакцию в легирующей композиции. В зависимости от требований, предъявляемых к отливкам, способ предусматривает нанесение легирующей композиции на модель локально, тем самым обеспечивая формирование легированного слоя на требуемых участках поверхности отливок. Также способ допускает наносить легирующую композицию на поверхность модели переменным по толщине слоем. Максимальная толщина легирующей композиции, нанесенной на поверхность модели, не превышает 10 мм, поскольку слой толщиной свыше 10 мм формирует на поверхности отливок пористый и неоднородный легированный слой. Известно, что СВС-реакции сопровождаются выделением тепловой энергии и газов. Для предотвращения брака в отливках способ допускает не наносить поверх легирующей композиции противопригарного покрытия, тем самым обеспечивая выход газообразных продуктов в поры опорного материала, удерживающего модельные блоки при формообразовании отливок.

Для формирования легированного слоя, содержащего структурные составляющие на основе железа, а также расширения области применения, способ предусматривает приготовление легирующей композиции путем смешивания порошкообразной смеси, содержащей ферротитан, с содержанием титана не менее 60% (70÷90% масс.) и элементарного углерода (30÷10% масс.) с клеевым связующим, содержание которого не превышает 90% от массы порошкообразной смеси. Применение ферротитана позволяет формировать в легированном слое отливок структурные составляющие на основе железа (карбиды железа). Использование ферротитана с содержанием титана менее 60% нецелесообразно, поскольку инициировать СВС-реакцию крайне затруднительно. Кроме того, ферротитан более доступен, лучше подвергается измельчению, по сравнению с титаном, что расширяет область применения данного способа для изготовления отливок.

После нанесения легирующей композиции на поверхность модели и ее сушки модели окрашивают противопригарным покрытием, после высыхания которого модель помещают в опоку, засыпают опорным материалом и заливают металлическим расплавом.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1. Легирующую композицию готовили путем смешивания порошкообразной смеси состава: титан 80% и элементарный углерод 20% с клеевым связующим, составляющим 10% от массы порошкообразной смеси. Полученную композицию наносили на поверхность модели из пенополистирола слоем 2 мм. Модели заливали расплавом стали 40. Полученные отливки содержали легированный слой толщиной, соответствующей толщине легирующей композиции. Легированный слой обладает высокой твердостью 897÷1163 HV_0,05 (67÷71 HRC), превосходящей твердость основного металла (290÷323 HV_0,05 (29÷33 HRC)) за счет наличия в его составе карбида титана (TiC).

Пример 2. Легирующую композицию готовили путем смешивания порошкообразной смеси состава: ферротитан (с содержанием титана 70% масс.) 70% и элементарный углерод 30% с клеевым связующим, составляющим 15% от массы порошкообразной смеси. Полученную композицию наносили на поверхность модели из пенополистирола слоем 5 и 8 мм. Модели заливали расплавом серого чугуна. Полученные отливки содержали легированный слой толщиной, соответствующей толщине легирующей композиции. Легированный сдой обладает высокой твердостью 611÷797 HV_0,05 (59÷64 HRC), превосходящей твердость основного металла (239÷291 HV_0,05 (21÷26 HRC)) за счет наличия в его составе карбидов титана (TiC) и железа (Fe₃C).