Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения отливок из железоуглеродистых сплавов с легированным поверхностным слоем, содержащим карбид титана

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам получения отливок методом литья по газифицируемым моделям, и может быть использовано для получения отливок из железоуглеродистых сплавов, содержащих поверхностный легированный слой из карбида титана.

Из уровня техники известен способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов, включающий нанесение на поверхность модели легирующих композиций, содержащих порошкообразный титан и карбид бора, смешенных с клеевым связующим (Патент РФ №2581336 C1, B22D 27/18, опубл. 29.04.2016).

Недостатком данного способа является значительная трудоемкость изготовления легирующих композиций (получение порошков компонентов, входящих в состав композиции, их равномерное смешение между собой и клеевым связующим).

Наиболее близким по технической сущности является способ получения отливок с заданными свойствами требуемых участков поверхности на заданную глубину при литье по газифицируемым моделям, в частности, бурового и режущего инструмента (Патент РФ №2455103 С2, В22С 9/04, B22D 19/04, опубл. 10.07.2012), включающий изготовление моделей из пенополистирола и установку или вклеивание в пазы моделей химико-термически обработанных пластин толщиной от 0,05 до 3,0 мм.

Недостатком данного способа является необходимость предварительной химико-термической обработки установочных пластин для формирования в отливках легированного слоя, обладающего требуемым составом и свойствами.

Все это снижает универсальность способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности способа выражается в возможности формирования глубинного легированного слоя, содержащего карбид титана, образующегося посредствам протекания физико-химического взаимодействия между установленным в модель элементом из титана или материала на его основе с углеродом железоуглеродистого расплава.

Способ осуществляется следующим образом.

Для формирования легированного слоя, содержащего карбид титана, в пазы, предварительно изготовленные в модели из пенополистирола любым доступным способом (вырезание, выжигание, формирование пазов при изготовлении моделей в пресс-формах), устанавливают титановые пластины или пластины из материалов на основе титана. Толщина титановых пластин или пластин из материалов на основе титана составляет от 0,05 до 3,0 мм. Толщину пластин менее 0,05 мм технически сложно получить, поскольку минимальная толщина ленты из титана и сплавов на его основе составляет 0,05 мм. Толщина пластин из титана и его сплавов более 3,0 мм не позволяет обеспечить формирование равномерного легированного слоя, содержащего карбид титана на поверхности отливки, поскольку образование последнего является результатом взаимодействия углерода железоуглеродистого расплава и материала установленных пластин при заливке модельных блоков, а пластины значительной толщины на поверхности, соприкасающейся с расплавом, содержат карбид титана, а в середине - титан. В зависимости от требуемой глубины легированного слоя на поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов способ допускает устанавливать пластины в модель на глубину не более 15 мм. Способ допускает устанавливать пластины из титана или его сплавов с постоянным или переменным шагом в зависимости от необходимых параметров легированного слоя. Для формирования легированного слоя в отливках из железоуглеродистых сплавов с максимальным содержанием карбида титана шаг установки пластин в модель из пенополистирола должен быть не менее половины их толщины. Исходя из сложности литых деталей и требуемых характеристик легированного слоя в отливках, пластины из титана или сплавов на его основе могут быть заменены проволокой аналогичного состава диаметром от 0,1 до 3,0 мм. При использовании проволоки способ допускает установку данных элементов в тело модели (втыкание) с постоянным, переменным шагом, либо в шахматном порядке, с размером шага не менее половины диаметра проволоки, на глубину не более 15 мм. Для лучшей фиксации пластин и проволоки в модели способ допускает их вклеивание с применением клеевых составов, не растворяющих и химически не взаимодействующих с пенополистиролом (материалом модели). При заливке моделей железоуглеродистыми расплавами установленные элементы (пластины и/или иглы) взаимодействуют с расплавом, а именно с углеродом расплава, образуя карбид титана, что обеспечивает формирование на отливках поверхностного слоя высокой твердости. Количество карбида титана в поверхностном слое отливок зависит от содержания углерода в заливаемом железоуглеродистом расплаве - увеличение содержания углерода в расплаве способствует более интенсивному протеканию процесса карбидообразования между установленным элементом и расплавом. В качестве железоуглеродистых сплавов для получения отливок с легированным слоем, содержащим карбид титана, могут быть использованы стали с различным содержанием углерода, легированные стали и чугуны.

Готовые модели с установленными элементами собирают в модельные блоки (крепление элементов литниковых систем), окрашивают их противопригарным покрытием, помещают блоки в опоку, которую заполняют опорным материалом, после чего производят их заливку железоуглеродистым расплавом.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1. В модель из пенополистирола установили пластины из титанового сплава ВТ1 - 0 толщиной 0,5 мм с шагом 1,0 мм на глубину 5,0 мм. Модели заливали расплавом стали 60 Л. Полученные отливки содержали легированный слой толщиной, соответствующей глубине установки пластин. Твердость легированного слоя составила 954÷1017 HV_0,05 (68÷69 HRC). Фазовый анализ показал наличие карбида титана (TiC) в легированном слое отливок, что обуславливает его высокую твердость, в 1,5÷2 раза превосходящую твердость основного металла.

Пример 2. В модель из пенополистирола установили пластины из титанового сплава ВТ6 толщиной 1,0 мм с шагом 1,0 мм на глубину 3,0 мм. Модели заливали расплавом серого чугуна СЧ 15. Полученные отливки содержали легированный слой толщиной, соответствующей глубине установки пластин. Твердость легированного слоя составила 954÷1017 HV0,05 (68÷69 HRC). Поверхностный легированный слой согласно данным фазового анализа содержал карбид титана (TiC).

Пример 3. То же, что в примере 2, только вместо пластин из сплава ВТ6 использовали проволоку диаметром 1,0 мм из сплава ВТ1 - 0, которую втыкали в поверхность модели в шахматном порядке с шагом 2 мм на глубину 7 мм. Технический результат аналогичен, представленному в примере 2.