Спосіб одержання точних виливків

Реферат: Спосіб одержання точних виливків в керамічних формах зі сплавів на основі Аl, Mg, Cu, Zn і Fe, причому цей спосіб характеризується тим, що керамічну форму прожарюють при температурі 800-1000 °C протягом 2-4 годин, після чого охолоджують до температури 20-950 °C і витримують при цій температурі протягом 10-40 хвилин, далі заповнюють рідким сплавом, який перегрітий на 50-200 °C від початкової точки плавлення, після 10-100 секунд форму занурюють з фіксованою або змінною швидкістю в рідке охолоджуюче середовище, яке є 1-99-процентним за об'ємом водним розчином рідкого полімеру при температурі 15-80 °C. Переважно, рідкий полімер являє собою поліалкіленгліколь (PAG) або полівінілпіролідон (PVP), або поліакрилат (ACR), або поліетиленоксид (РЕО). Переважно використовують керамічні форми, виготовлені з алюмосилікатних або високоглиноземних вогнетривів, зокрема на основі синтетичної суміші, наприклад "Molochite". UA 109823 C2 (12) UA 109823 C2 UA 109823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей винахід стосується способу отримання точних виливків, переважно в керамічних формах, зі сплавів на основі алюмінію, магнію, міді, цинку і заліза. Після заповнення порожнини керамічної форми рідким сплавом потрібне швидке, об'ємне або спрямоване, охолодження цього сплаву для отримання щільної виливки без пористості, що характеризується відносно однорідною і дрібнозернистою структурою і, отже, високими механічними властивостями. Керамічні форми, які використовують для точного лиття характеризуються низькою теплопровідністю, що приводить до відносно довгого затвердіння рідкого металу. У результаті повільного затвердіння формується грубозерниста структура, що стає причиною зниження механічних властивостей виливок. Для отримання необхідної щільної структури виливок, необхідно забезпечити спрямоване затвердіння металу. Наприклад, спосіб отримання точних виливків згідно патенту DE-OS 3629079 полягає в тому, що використовують керамічні форми з "кишеньками", які виготовлені у відповідних частинах цієї форми. Перед заливкою форми рідким металом, ці кишеньки наповнюють сталевим дробом. Через те, що теплоємність сталевого дробу значно вище теплоємності алюмінієвого сплаву, досягають інтенсивний теплообмін від рідкого металу, що забезпечує виготовляння виливків із зонами спрямованого затвердіння. В патенті ЕР571703, як охолоджуюче середовище для керамічної форми, яка заповнена рідким сплавом, використовують рідкий холодоагент, переважно в рідкому стані з різним ступенем перегріву, причому температура його кипіння нижче температури металу, залитого у форму. Рідкий холодоагент повинен мати відповідну в'язкість і являє собою суміш речовин, які характеризуються різними температурами кипіння. Наприклад, до композиції додають віск, гліколь, складний ефір та/або масло. У зв'язку з горючістю компонентів холодоагенту, процес проводять у закритому контейнері в присутності інертного газу. Згідно з патентом US6622774, керамічні форми, які заповнені алюмінієвим сплавом охолоджують у масляній бані, що має високу температуру спалаху і низьку в'язкість. З іншого боку, в патенті US2008/0011442 керамічну ливарну форму, яка заповнена рідким металом витримують під тиском, щонайменше, 20 МПа протягом приблизно 300 секунд, а потім вводять в рідкий холодоагент при температурі -100 °C або нижче. Доцільно, щоб затвердіння металу здійснювалось під дією ультразвуку або іншої альтернативної обробки. Спосіб отримання точних виливок згідно з цим винаходом, переважно в керамічних формах, зі сплавів на основі Аl, Mg, Cu, Zn і Fe характеризується тим, що керамічні форми прожарюють при температурі 800-1000 °C протягом 2-4 годин, після чого охолоджують до температури в діапазоні 20-950 °C і витримують при цій температурі протягом 10-40 хвилин, далі заповнюють рідким сплавом, який перегрітий на 50-200 °C від початкової точки плавлення, після 10-100 секунд форму занурюють з фіксованою або змінною швидкістю в рідке охолоджуюче середовище, причому зазначене рідке охолоджуюче середовище складається з 1-99 об'ємних відсотків водного розчину рідкого полімеру та має температуру 15-85 °C. Переважно, що рідкий полімер являє собою поліалкіленгліколь (PAG), або полівінілпіролідон (PVP), або поліакрилат (ACR), або поліетиленоксид (РЕО). Ще краще використовувати керамічні форми, виготовлені з алюмосилікатних або високоглиноземних вогнетривів, зокрема на основі синтетичної формувальної суміші, наприклад "Molochite". Рідкі полімери являють собою розчини, суспензії або сплави полімерів, які належать до групи рідин, що характеризуються певною стабільністю форми, мають деякі особливості твердого тіла, а також характеризуються певною еластичністю. Вони є полімолекулярними з'єднаннями вуглецю і водню, а також містять кисень, азот, фосфор, сірку, модифікатори, інгібітори та інші добавки. Рідкі полімери мають властивості неньютоновскої рідини при високих швидкостях зсуву, це означає, що криві їх потоків не є прямолінійними. Охолоджуюче середовище, яке застосовується, має питому теплоємність майже в 2 рази вище ніж у гартівних масел, завдяки чому підвищення температури середовища для ваги цієї порції знижується приблизно наполовину. Водний розчин рідких полімерів проникає через стінки керамічної форми, утворює в контакті з розплавленим металом тонку розділову полімерну плівку, яка дозволяє отримати виливки з дуже високою якістю поверхні. Завдяки способу за цим винаходом отримують виливки, зовнішні поверхні яких не забруднені маслом чи воском і, тому не має потреби в знежиренні або інших процесах очищення. Залишки охолоджуючого середовища, які можуть залишатися на виливках, якщо зазначене середовище перебуває при більш високих концентраціях в охолоджуючої ванні, не обвуглюються, проте при високих температурах повністю розкладаються з утворенням водяної пари і оксидів вуглецю. Швидкість охолодження залежить від типу полімеру, від його концентрації та від температури водного розчину. Охолоджуюче середовище, що застосовують, 1 UA 109823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 є негорючою і нешкідливою для навколишнього середовища. Завдяки цим характеристикам реалізація способу за цим винаходом не потребує використання герметичного простору, достатньо вентиляційної установки, оскільки тільки в разі передчасного видалення форм з охолоджуючого середовища може утворюватися велика кількість диму. Виливок, занурений в полімерний холодоагент, кристалізується і твердне знизу вгору, а центровий ливник кристалізується останнім, виконуючи водночас роль системи подання. Швидка об'ємна кристалізація і швидке охолодження від рідкого стану виникають, коли всю керамічну форму з рідким сплавом миттєво занурюють в охолоджуюче середовище, цей спосіб застосовують для виливків з практично однакової товщиною стінок і плавного переходу від однієї секції до іншої. Швидка спрямована кристалізація відбувається, коли керамічну форму з рідким сплавом занурюють з постійною або змінною швидкістю в рідке охолоджуюче середовище. Керамічні форми, які виготовляють з алюмосилікатних або високоглиноземних вогнетривів характеризуються стабільними властивостями при зміні температури. Більш висока температура керамічної форми сприяє якісному заповнюванню ливарної форми сплавом, і тим самим дозволяє виготовляти виливки з тонкими або ультратонкими стінками. Виливки, виготовлені способом за цим винаходом, мають відмінну якість зовнішньої поверхні, яка характеризується низьким ступенем шорсткості, глянцевою поверхнею і відсутністю дефектів типу газової мікропористості. Спрямована кристалізація забезпечує гарну внутрішню компактність, яка визначена щільністю. Крім того, виливки характеризуються високою однорідністю макро- і мікроструктури перетинів стінок, товщини яких становлять не більше ніж 2-3 рази. їх структура є більш досконалою по відношенню до аналогічного затвердіння виливків за традиційними методами лиття точних виливків, зокрема, середні значення вторинних відстаней між осями дендритів скорочуються, а в евтектичних сплавах утворюється дрібнозерниста евтектика. Всі ці фактори впливають на збільшення параметрів міцності Rm і RP0,2, пластичності А5 у випробуванні на розрив, причому величина цих параметрів залежить від типу сплаву і умов охолодження. Приклади практичних варіантів здійснення способу отримання точних виливків за цим винаходом наведені нижче. Приклад 1 Керамічну форму для контрольної конічної виливки 20 x 030 x 100 мм виготовили з кварцової муки і кремнистого піску з вмістом SiO2 вище 90 відсотків за вагою, зі зв'язуючим ® LUDOX марки РХ30 у вигляді водного розчину колоїдного двоокису кремнію, який містить від 20 до 40 відсотків за вагою SiO2. Форму прожарювали при температурі 800-850 ºC протягом 2 годин. Потім охолодили до температури 750ºC і витримали при цій температурі протягом 15 хвилин, далі заповнили сплавом алюмінію, який є доевтектичним силуміном ΕΝ AС-AlSi7Mg0,6 при температурі 700-720 °С. Керамічну форму з рідким сплавом після 10 секунд занурили зі швидкістю 7,5 мм/с в 20 відсотковий за об'ємом водний розчин рідкого полімерного гартівного агента, такого як Aqua-Quench 260, при температурі 20 ºС. Використання водного розчину рідкого полімеру забезпечує дуже слабку реакцію розчину з керамічною формою та рідким сплавом, а отриманий виливок є щільним і вільним від будь-якої внутрішньої газової пористості, причому його зовнішня поверхня є яскравою і глянсовою, із слідами шорсткості. Приклад 2 Керамічну форму для конічних виливків з прикладу 1 виготовили з алюмосилікатного матеріалу у вигляді синтетичного наповнювача під торговою назвою "Molochite" і зв'язучого LUDOX® PX30, прожарювали при 900 °C протягом 2 годин, а потім охолоди до кімнатної температури. Після попереднього нагрівання цієї форми до температури 300 °C, її витримали при цій температурі протягом 15 хвилин і заповнили рідким сплавом магнію MgAI9Zn1 при температурі 690-710 °С. Потім, через 10 секунд після заливу розплавленим металом, форму занурили при постійній швидкості 7,5 мм/с в 20 відсотковий водяний розчин рідкого полімеру POLIHARTENOL-E8 з температурою 20 °С. Після кристалізації та охолодження сплаву в охолоджуючому середовищі, корпус форми не виявляє жодних ознак прилипання до зовнішньої поверхні виливки. Виливок є щільним, без будь-якої зовнішньої і внутрішньої пористості, причому його щільність близька до теоретичної щільності типового сплаву заданого хімічного складу. Після удару металевим інструментом виливок видає чіткий металевий звук, характерний для кокільних виливків. Зовнішня поверхня зразка має низьку шорсткість поверхні і глянсувата. Приклад 3 2 UA 109823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Керамічну конічну форму, виконану з наповнювача "Molochite" і зв'язучого LUDOX® PX30, прожарювали при температурі 950 °С протягом 3 годин, потім охолодили до температури 700 °C і витримували при цій температурі протягом 20 хвилин, після чого форму заповнили хромо-молібденовим чавуном, який містить в масових відсотках 3,35 С, 0,53 Si, 92 Μn, 9,5 Сr, 0,14 Ni, 1,53 Mo, решта Fe. Після 15 секунд форму з рідким чавуном занурили зі швидкістю 5 мм/с в водяний розчин рідкого полімеру THERMISOL QZS 700 з концентрацією 19,14 масових відсотків при температурі 50 °С. Спрямоване охолодження приводить до підвищення щільності: середня щільність виливки 3 р=7,51 г/см , тоді як середнє значення твердості дорівнює 664 HV. Для порівняння властивості 3 виливок, зробленого в піщаній формі, наступні: р=7,45 г/см , а середнє значення твердості дорівнює 547 HV. Прискорені кристалізація та охолодження сприяють сфероідізації первинних і евтектичних карбідів в феритній основі. Приклад 4 Керамічну форму з алюмосилікатного наповнювача "Molochite" і зв'язучого LUDOX® PX30 на основі колоїдного двооксиду кремнію прожарювали протягом 3 годин при температурі 900 °С. Далі форму остудили до кімнатної температури, після чого нагріли до 400 °С. Форму витримали при цій температурі 30 хвилин і заповнили рідким сплавом AC-AISi7Mg0,3 при температурі 710740 °C. Після 15 секунд форму з рідким сплавом занурили із середньою швидкістю 5 мм/с в ємність з 20 відсотковим водяним розчином полімерного холодоагенту POLIHARTENOL-Е8 при кімнатній температурі. Отриманий виливок має більш досконалу мікроструктуру, ніж у виливка, який твердіє в самонесній керамічній формі при температурі 400 °С. В цілому, в обох випадках, одержали дуже добру якість зовнішньої поверхні виливка, а саме: низьку шорсткість поверхні, яскравість і глянсовість. Виливок виготовлений за способом, що заявляється, є більш щільним, без внутрішніх дефектів, в порівнянні з виливками, зробленими традиційними способами, в 3 залежності від товщини стінки, має більш високу щільність від 0,01 до 0,04 г/см . Більш швидка кристалізація знижує αАІ дендритів твердого розчину алюмінію; особливо цей ефект виражений під час переохолодження відповідної модифікації (α Al + βSi) евтектики. Крім того, було виявлено, що в доевтектичних силумінах марки АС-AISi7Mg0,3 параметрами DAS або SDAS, а саме міждендритними відстанями 1-го та 2-го порядку, краще корелювати швидкістю затвердіння, ніж розміром зерна. У виливку, виготовлену зі сплаву AISi7Mg0,3 за способом, що заявляється, середня відстань між осями дендритів складає 40 мкм. Збільшення швидкості затвердіння виливок, виготовленого за цим винаходом знаходить своє відображення у збільшенні механічних властивостей: Rm=280 МПа, Rp0·∑=235 МПа, А5=4,0 %, в той час як, наприклад, у виливку із традиційним затвердінням в керамічній формі при кімнатній температурі, відстань між осями дендритів складає 47 мкм, а механічні властивості мають наступні значення: Rm=245 МПа, Rpa2=195 МПа, А5=2,5 %. Приклад 5 Три керамічні форми, виготовлені з алюмосилікатного наповнювача "Molochite" і зв'язучого ® LUDOX PX30 прожарювали протягом 2,5 годин при температурі 900 °C, далі форму остудили до 400 °C, витримали при цій температурі 15 хвилин і заповнили рідким сплавом міді марки ВА1044, В555 або М059, який перегріли на 100-150 °C вище температури плавлення. Після 30 секунд від заповнення порожнини форми її занурили із швидкістю 8,5 мм/с в 15-25 відсотковий водяний розчин полімерного холодоагенту POLIHARTENOL-E8 при температурі 35 °C. Зовнішня поверхня таких мідних виливків глянсова і характеризується низькою шорсткістю поверхні, особливо у випадку алюмінієвої бронзи ВА1044. Швидке спрямоване затвердіння мідних виливків знижує в мікроструктурі як розмір зерна, так і SDAS. Наприклад, в сплаві В555 ці відстані були знижені: від 33 мкм - для виливків, отриманих способом, що заявляється, до 26 мкм для виливків, що піддаються повільному охолодженню в самонесній формі із "Molochite" при температурі близько 500 °C. Умови охолодження мають значний вплив на твердість мідних виливків і, в той час як HV сплаву ВА1044 в самонесній формі складає 232 одиниць, у виливку, отриманому направленим затвердінням, в формі, зануреній в рідке полімерне середовище, твердість збільшилася до 253 одиниць. Після швидкого спрямованого затвердіння досліджених мідних сплавів спостерігалося загальне зростання параметрів міцності Rm та Rp02, пластичності А5, та твердості HV. Додаткове збільшення механічних властивостей можливо досягти після регулювання основного хімічного складу, а також використанням процедур модифікації термообробки. 3 UA 109823 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Спосіб одержання точних виливків в керамічних формах зі сплавів на основі Аl, Mg, Cu, Zn і Fe, який відрізняється тим, що керамічну форму прожарюють при температурі 800-1000 °C протягом 2-4 годин, після чого охолоджують до температури 20-950 °C і витримують при цій температурі протягом 10-40 хвилин, далі заповнюють рідким сплавом, який перегрітий на 50200 °C від початкової точки плавлення, після 10-100 секунд, форму занурюють з фіксованою або змінною швидкістю в рідке охолоджуюче середовище, причому зазначене рідке охолоджуюче середовище складається з 1-99-процентного за об'ємом водного розчину поліалкіленгліколю (PAG) або полівінілпіролідону (PVP), або поліакрилату (ACR), або поліетиленоксиду (РЕО) та має температуру 15-85 °C. 2. Спосіб одержання точних виливків за п. 1, який відрізняється тим, що використовують керамічні форми, виготовлені з алюмосилікатних або високоглиноземних вогнетривів, зокрема на основі синтетичної суміші, наприклад "Molochite". Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4