Способ поверхностного легирования отливок из металлических сплавов на заданную глубину

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 цветных и черных сплавов, содержащих поверхностный легированный слой заданной глубины.

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, В22С 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.

Из уровня техники известен способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям, включающий изготовление моделей или отдельных элементов моделей из пенополистирола в пресс-формах, которые заполняют предварительно вспененными гранулами пенополистирола, окрашенными легирующими элементами, с добавкой неокрашенных предварительно вспененных гранул в количестве от 2 до 94% по объему (RU 2427442 C1, В22С 7/02, В22С 9/04, 27.08.2011). Недостатком данного способа является сложность получения отливок с равномерно распределенными модификаторами и легирующими добавками, легирование всего объема отливки или отдельных элементов отливки, невозможность обеспечения формирования поверхностного легированного слоя заданной глубины.

Из уровня техники известны способы изготовления моделей из пенополистирола, при которых легирующие элементы наносят на гранулы пенополистирола перед их вспениванием в пресс-форме (SU 304049, В22С 7/02. 25.05.1971) или вводят модифицирующие и легирующие добавки в пресс-форму одновременно с гранулами пенополистирола (SU 904872, В22С 7/02. 15.02.1982).

Недостатками данных способов являются значительный расход легирующих элементов и легирование всего объема отливки.

Из уровня техники известен 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.

Наиболее близким по технической сущности является способ модифицирования поверхности отливок (Патент РФ №2391177 С2, В22С 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 предлагаемого способа выражается в возможности получения отливок из металлических материалов с формированием легированного поверхностного слоя заданной глубины, имеющего хорошую адгезию с основным металлом за счет заливки расплава в пенополистирол, находящийся в легирующих составах. Таким образом, увеличивается площадь контакта между легированным слоем и заливаемым расплавом, что интенсифицирует физико-химическое взаимодействие и способствует надежному сцеплению легированного слоя и основного металла.

Способ осуществляется следующим образом.

На поверхность моделей из пенополистирола изготовленные любым доступным способом наносят легирующие составы в виде красок и паст, содержащие наряду с порошкообразными легирующими элементами пенополистирол. Приготовление легирующих составов сводится к изготовлению смеси порошкообразных легирующих элементов, соединений или их сочетаний с клеевым связующим и с пенополистиролом в виде измельченного до требуемой фракции материала или предварительно вспененных гранул. Фракция порошкообразных легирующих добавок и количество клеевого связующего выбирают из условий получения на поверхности модели равномерного слоя легирующего покрытия требуемой толщины. Количество добавки пенополистирола составляет от 0,1 до 40% от массы сухого порошкообразного легирующего состава. Поскольку легирующие элементы и соединения обладают значительно большей плотностью по сравнению с пенополистиролом и с целью формирования легированных слоев незначительной толщины (менее 3 мм) способ допускает производить добавку пенополистирола в количестве не менее 0,1% от массы сухого порошкообразного легирующего состава. Для формирования легированных слоев в отливках из металлических сплавов значительной толщины (более 3 мм) способ предусматривает добавление к легирующим составам пенополистирола в количестве, не превышающем 40% от массы сухого порошкообразного легирующего состава. Фракция измельченного пенополистирола или размер предварительно вспененных гранул выбирают из необходимой толщины легирующего покрытия, наносимого на поверхность моделей. С целью получения легирующего покрытия, содержащего значительное количество добавок пенополистирола, последний допускается вводить в легирующие составы в виде смеси предварительно вспененных гранул и измельченного до требуемой фракции материала. После приготовления смеси порошкообразных легирующих элементов, соединений или их сочетаний с пенополистиролом и клеевым связующим полученные легирующие составы наносят на требуемые участки поверхности моделей из пенополистирола необходимым по толщине слоем.

Для получения заданной глубины легированного слоя в отливках легирующие составы, содержащие пенополистирол, вводят в виде краски или пасты в пазы, предварительно изготовленные в поверхности модели из пенополистирола. Глубину пазов в моделях выбирают из необходимой глубины легированного слоя в отливках, а их конфигурация определяется геометрией модели. Для получения в отливках более ровной поверхности легированного слоя способ допускает установку подложки на поверхность легирующих составов, введенных в пазы, изготовленные в модели. Под подложкой в данном случае понимается материал, заготовка или вещество, которое фиксируется на поверхность легирующих составов, введенных в пазы, изготовленные в модели из пенополистирола. Установку подложки поверх легирующего состава допускается проводить любым доступным способом (наклеивание, припаивание). В зависимости от технического результата подложка может быть выполнена как из инертного по отношению к металлическому расплаву материала, выгорающего при заливке моделей (например, на бумажной основе), так и из материала, взаимодействующего с расплавом (например, тонкая металлическая фольга или металлический лист). При заливке моделей металлическим расплавом пенополистирол, находящийся в легирующих составах, выгорает, на его место заливается расплав, что увеличивает площадь контакта расплава и легирующего состава и интенсифицирует физико-химическое взаимодействие между ними, благодаря чему обеспечивается надежное сцепление легированного слоя с основным металлом в отливке. В качестве металлических сплавов для получения отливок с легированным слоем заданной глубины могут быть использованы железоуглеродистые (стали и чугуны), медные и алюминиевые сплавы.

Готовые модели с нанесенным слоем легирующего покрытия, содержащего наряду с порошкообразными легирующими добавками, клеевое связующее и пенополистирол, 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 металлическими расплавами.

Примеры конкретного исполнения:

Пример 1. На поверхность модели из пенополистирола нанесли легирующий состав, содержащий порошкообразный титан, клеевое связующее и предварительно вспененные гранулы пенополистирола, диаметром 0,3÷0,5 мм, в количестве 0,5% от массы сухого ферротитана, слоем 1,0÷1,5 мм. Модели заливали расплавом серого чугуна СЧ 15. Полученные отливки содержали легированный поверхностный слой, соответствующий толщине легирующего состава, нанесенного на поверхность моделей. Твердость структурных составляющих легированного слоя составила 954÷1017 HV_0,05. Высокая твердость легированного слоя обусловлена наличием карбида титана (TiC), образующегося при взаимодействии титана из легирующего состава и углерода металлического расплава.

Пример 2. В паз, изготовленный в модели из пенополистирола, глубиной 3÷5 мм ввели легирующий состав, содержащий силикоцирконий, клеевое связующее и измельченный пенополистирол, фракцией 1,0÷1,5 мм, в количестве 10% от массы силикоциркония. Модели заливали расплавом серого чугуна СЧ 15. Полученные отливки содержали легированный поверхностный слой, глубина которого соответствовала глубине паза, изготовленного в модели, заполненного легирующим составом. Высокая твердость структурных составляющих легированного слоя (1200÷1420 HV_0,05) обусловлена наличием карбида циркония (ZrC), образующегося в процессе взаимодействия углерода расплава и циркония легирующего состава.

Пример 3. То же, что в примере 2, только в качестве легирующего состава в паз ввели клеевое связующее, измельченный пенополистирол фракцией 1,0÷1,5 мм и порошкообразный ферротитан с содержанием титана 80%. Количество добавки пенополистирола составило 1% от массы ферротитана. Поверх легирующего состава наклеили фольгу из нержавеющей стали. Отливки заливали расплавом стали 40Л. Легированная поверхность имела незначительную шероховатость за счет наличия в верхнем слое металлической фольги. Твердость и состав полученного легированного слоя аналогичен приведенному в примере 1.

Пример 4. То же, что в примере 2, только в качестве легирующего состава в паз ввели клеевое связующее, измельченный пенополистирол, фракцией 1,0÷1,5 мм и углерод. Количество добавки пенополистирола составило 5% от массы углерода. Модели заливали расплавом оловянистой бронзы Бр. О.Ц.С. 5-5-5. Полученные отливки на поверхности содержали легированный слой с включениями графита, глубина легированного слоя в отливке соответствовала глубине паза с введенным легированным составом.

Пример 5. То же, что в примере 4, только поверх легированного состава дополнительно наклеили бумажную подложку. Поверхность полученного легированного слоя имела меньшую шероховатость по сравнению с отливками, приведенными в примере 4, и соответствовала поверхности бумажной подложки.

Пример 6. То же, что в примере 2, только в качестве легирующего состава в паз ввели клеевое связующее, предварительно вспененные гранулы пенополистирола, диаметром 0,3÷0,5 мм и порошкообразную смесь ферротитана с содержанием титана 80% и ферробора с содержанием бора 17%. Количество добавки пенополистирола составило 20% от массы сухого легирующего состава. Отливки заливали расплавом стали 40Л. Полученные отливки содержали легированный поверхностный слой, глубина которого соответствовала глубине паза, изготовленного в модели, заполненного легирующим составом. Твердость структурных составляющих легированного слоя составила 1079÷1496 HV_0,05 благодаря боридам титана и железа, образующихся в результате взаимодействия компонентов легирующего состава между собой и заливаемым расплавом.