Результат интеллектуальной деятельности: Способ модифицирования и легирования отливок при литье по газифицируемым моделям

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для модифицирования и легирования отливок из сталей, чугунов, цветных металлов и их сплавов с применением технологии литья по газифицируемым моделям.

Из уровня техники известен способ получения отливок литьем по газифицируемым моделям, включающий получение моделей в пресс-формах путем нанесения на предварительно вспененные гранулы пенополистирола модификаторов или легирующих добавок в виде краски, последующей сушки, засыпки их в пресс-форму и окончательное вспенивание, сборку моделей в модельный блок, окрашивание модельного блока газопроницаемой антипригарной краской, размещение модельного блока в опоке, заполнение его несвязанным формовочным материалом, уплотнение его вибрацией, герметизацию и вакуумирование опоки, заливку металла (RU 2048953 C1, В22С 7/02, 27.11.1995). Недостатком данного способа является сложность получения качественных моделей, поскольку предварительно вспененные гранулы пенополистирола после окраски легирующим покрытием и последующей сушки утрачивают (частично или полностью) способность к последующему увеличению их объема при окончательном вспенивании в пресс-формах. Также значительное количество легирующих и модифицирующих элементов в объеме моделей может стать причиной возникновения различных дефектов в отливках (рыхлости, усадочные раковины, непроливы и др.).

Из уровня техники известен способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям, включающий изготовление 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, поскольку технически сложно заполнить объем пресс-формы так, чтобы окрашенные гранулы оказались равномерно распределенными.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям, включающий получение моделей из пенополистирола в пресс-формах путем заполнения их предварительно вспененными гранулами пенополистирола диаметром 3-5 мм слоем толщиной 8-10 мм, с добавлением сверху слоя добавок модифицирующих или легирующих в виде гранул, пудры, порошка или кусков толщиной 1-2 мм и окончательное вспенивание гранул пенополистирола с получением модели, сборку моделей в модельный блок, окрашивание блока противопригарным покрытием, сушку, размещение модельного блока в опоке, заполнение его опорным материалом, герметизацию, вакуумирование и заливку металла (RU 2619548 С2, В22С 3/00, 16.05.2017). Недостатком данного способа является узкая область его применения, поскольку он не пригоден для изготовления моделей небольшого размера из предварительно вспененных гранул пенополистирола размером менее 3-5 мм. Результат модифицирования или легирования определяется, наряду с составом и количеством добавок, также габаритами отливки, поэтому для обеспечения максимального эффекта требуется в каждом конкретном случае использование добавок различной фракции и толщины их слоя. Вышеприведенный способ не позволяет в полной мере реализовать эффективное модифицирование и легирование применительно к отливкам различных габаритов.

Все это снижает универсальность способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности предлагаемого способа выражается в возможности получения моделей из пенополистирола в пресс-формах с требуемым (равномерным либо градиентным) содержанием и распределением модификаторов или легирующих добавок.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе изготовления моделей пресс-форму послойно заполняют предварительно вспененными гранулами пенополистирола слоем, минимальная толщина которого соответствует размерам гранул, сверху каждого слоя добавляют модификаторы или легирующие добавки слоем, толщина которого соответствует фракции частиц добавок, после чего производят окончательное вспенивание гранул в пресс-формах с получением модели. В зависимости от геометрии модели, ее габаритных размеров и требуемых свойств отливки, выбирается количество и толщина слоев модификаторов и легирующих добавок. Для получения более плотной модели способ предусматривает добавление предварительно вспененных гранул пенополистирола слоем, минимальная толщина которого соответствует размерам гранул, на верхний слой модификаторов и легирующих добавок при заполнении пресс-формы. В зависимости от габаритов отливки и сродства расплава к введенным компонентам, способ предусматривает вводить модифицирующие или легирующие добавки в виде порошков, пудры, кусков, гранул. Для локального модифицирования и легирования отливки способ предусматривает производить добавку модификаторов и легирующих добавок не по всей поверхности слоя предварительно вспененных гранул пенополистирола, а локально, в один или несколько участков, при этом площадь добавок должна составлять не менее 0,1% площади слоя предварительно вспененных гранул. Если площадь добавок составит менее 0,1%, то модифицирование и легирование отливок может оказаться неэффективным. С целью создания градиента легированных слоев в отливках способ предусматривает добавление поверх слоя предварительно вспененных гранул модификаторов и легирующих добавок в различных сочетаниях с разной фракцией.

После заполнения объема пресс-формы предварительно вспененными гранулами пенополистирола с добавкой модификаторов и легирующих добавок, она помещается в автоклав или другое доступное оборудование для окончательного вспенивания гранул пенополистирола путем теплового воздействия. Полученные модели извлекают из пресс-формы и при необходимости производят их сушку. Введенные в объем модификаторы и легирующие добавки оказываются прочно фиксированными в модели. Затем модели собирают в модельные блоки, окрашивают противопригарным покрытием и сушат. Сухие модельные блоки используют при изготовлении отливок, заливая их металлическими расплавами.

Примеры конкретного исполнения:

Пример 1. Цилиндрическую пресс-форму диаметром 30 мм и высотой 50 мм послойно заполняли предварительно вспененными гранулами пенополистирола диаметром 0,5-0,8 мм, слоем 3-5 мм. Сверху каждого слоя предварительно вспененных гранул добавляли ферротитан ФТ 70 (70%) в виде порошка, фракцией 0,1 мм, слоем 0,5-1,0 мм. Полученные модели заливали расплавом серого чугуна СЧ 15. Отливки содержали карбидные составляющие титана высокой твердости (1030-1042 HV), что позволило обеспечить сочетания свойств пластичная матрица - твердые включения.

Пример 2. То же, что в примере 1, только пресс-форму заполняли предварительно вспененными гранулами пенополистирола диаметром 0,5-0,8 мм, слоем, толщина которого соответствовала размеру гранул, поверх гранул добавляли порошкообразный ферротитан ФТ 70, фракцией 0,1 мм, слоем ~0,5 мм. Аналогично формировали второй слой, содержащий гранулы и ферротитан, остальное пространство пресс-формы заполняли предварительно вспененными гранулами пенополистирола без введения порошкообразных добавок. Отливки из серого чугуна СЧ 15 имели поверхностный слой высокой твердости, а основа соответствовала серому чугуну.

Пример 3. То же, что в примере 1, только в качестве легирующей добавки применяли порошок сажи (элементарного углерода), введенного на слой предварительно вспененных гранул пенополистирола диаметром 3-5 мм, слоем 0,5-1,0 мм. Толщина слоя предварительно вспененных гранул пенополистирола, добавленного в пресс-форму поверх слоя сажи, составляла 5-8 мм. Модели заливали расплавом стали 40X13. Полученные отливки содержали значительное количество карбидных составляющих железа и хрома (твердостью 690-920 HV), что позволило повысить их твердость.

Пример 4. То же, что в примере 1, только в качестве модифицирующей добавки применяли порошкообразный карбид кремния, фракцией 0,2-0,4 мм, а модели заливали алюминиевым сплавом Д16. Полученные отливки содержали распределенные частицы карбида кремния, что позволило улучшить их структуру, по сравнению с литым образцом, изготовленным без введения добавок.