Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям

Название	Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям
Разработчик (Авторы)	Знаменский Леонид Геннадьевич, Ивочкина Ольга Викторовна, Варламов Алексей Сергеевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2613244
Дата регистрации	15.03.2017
Правообладатель	федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)")
Область применения (класс МПК)	B22C 9/04 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для производства отливок литьем по газифицируемым моделям (ЛГМ).

Модифицирование структуры - одна из основных операций в технологии производства отливок из чугуна, алюминиевых, магниевых и других сплавов. При этом перспективным следует считать внутриформенное модифицирование. Ближайшим аналогом является способ получения отливки литьем по газифицируемым моделям, включающий получение моделей в пресс-форме путем нанесения на предварительно вспененные гранулы пенополистирола модификаторов или легирующих добавок в виде краски, последующей сушки, засыпки их в пресс-форму и окончательного вспенивания, сборку моделей в модельный блок, окрашивание модельного блока газопроницаемой антипригарной краской, размещение модельного блока в опоке, заполнение опоки несвязанным формовочным материалом, уплотнение его вибрацией, герметизацию и вакуумирование опоки, заливку металла (Пат. РФ 2048953, 2010. Газифицируемая модель для литых заготовок режущего инструмента и пресс-форма для ее изготовления / Пирайнен В.Ю., Гребешков В.К.)

Наиболее близким по технической сущности является способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям (Пат. РФ 2427442, 2010. Способ введения модификаторов и легирующих добавок при литье по газифицируемым моделям / Лещев А.Ю., Липанов A.M., Овчаренко П.Г., Дементьев В.Б.). В соответствии с этим прототипом на предварительно вспененные гранулы пенополистирола наносят модификаторы или легирующие добавки в виде краски. К окрашенным гранулам пенополистирола добавляют неокрашенные предварительно вспененные гранулы пенополистирола в количестве от 2 до 94% по объему. Гранулы сушат, засыпают в пресс-форму для окончательного вспенивания для изготовления модели. Полученные модели собирают в модельный блок, окрашивают модельные блоки газопроницаемой антипригарной краской, размещают в опоке, засыпают несвязанным формовочным материалом (песком), уплотняют вибрацией, герметизируют, вакуумируют и заливают металлом.

Способ прототипа, хотя и обеспечивает некоторое повышение физико-механических свойств отливок, имеет следующий ряд существенных недостатков:

- наличие трудоемкой и энергоемкой сушки пенополистирола при введении модификатора;

- для тонкорельефных и сложнопрофильных газифицируемых моделей неудовлетворительное распределение модификатора на гранулах пенополистирола с широким разбросом значений толщины их покрытия;

- низкий уровень адгезии частиц модификатора к гранулам пенополистирола, приводящий к преждевременному отслоению модификатора при изготовлении модели;

- нестабильность эффекта модифицирования вследствие слабой адгезии и неравномерного распределения модификатора в объеме полистирольной модели;

- несущественное улучшение литейных свойств алюминиевых и магниевых сплавов при использовании способа прототипа, в частности склонности к образованию трещин;

- недостаточно высокий уровень повышения физико-механических свойств алюминиевых и магниевых сплавов для получения ЛГМ сложно-профильных и тонкорельефных отливок ответственного назначения.

Таким образом, способ прототипа не обеспечивает высокий уровень качества отливок из магниевых, алюминиевых и других сплавов для нужд современной авиационной техники и машиностроения.

В основу изобретения положена техническая задача - ускорение цикла подготовки и обеспечение высоких адгезии и равномерности распределения модификаторов на гранулах пенополистирола, определяющих улучшение как физико-механических, так и литейных свойств сплавов и отливок, полученных ЛГМ, в особенности сложнопрофильных и тонкостенных для авиационной техники и машиностроения.

Указанная техническая задача решается таким образом, что в способе изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям, включающем получение моделей в пресс-форме путем нанесения на предварительно вспененные гранулы пенополистирола модификаторов в виде краски, засыпки их в пресс-форму совместно с неокрашенными гранулами пенополистирола и окончательного вспенивания, сборку моделей в модельный блок, окрашивание модельного блока газопроницаемой антипригарной краской, размещение модельного блока в опоке, заполнение опоки несвязанным формовочным материалом, уплотнение его вибрацией, герметизацию и вакуумирование опоки, заливку металла, согласно изобретению на гранулы пенополистирола наносят химически твердеющий плакирующий состав, мас. %:

а плакирование осуществляют путем впрыскивания аэрозоля плакирующего состава в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью (1…4)×10-3 кг/с⋅м2.

Наноструктурированный алмазный порошок (НАП) состоит из тугоплавких ультрадисперсных частиц. Ультрадисперсный алмаз, или наноалмаз - это углеродная структура, имеющая кристаллическую решетку типа алмаза и размеры от 1…10 нм. При этом наиболее предпочтительно использовать НАП, полученный ударно-волновым синтезом (Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом / В.В. Даниленко. – М.: Энергоатомиздат, 2003. - 272 с.). В результате синтеза в сильнонеравновесных условиях получаются уникальные нанокристаллические структуры. Средний размер частиц соответствует 125…135 нм, доля частиц размером менее 100 нм составляет порядка 20%, что позволяет отнести используемый материал к наноструктурированному.

Нанесение на предварительно вспененные гранулы пенополистирола химически твердеющего состава с модификатором обеспечивает образование плакирующего слоя из НАП, исключающего энергоемкую сушку вспененных гранул пенополистирола. Причем, плакирующий состав является химически твердеющим, а потому создает условия для высокой адгезии его к гранулам пенополистирола.

Проведение плакирования вспененных гранул пенополистирола в кипящем слое путем впрыскивания в него аэрозоля плакирующего состава обеспечивает высокую степень равномерности распределения модификатора на гранулах пенополистирола. Плакирование в кипящем слое позволяет осуществить цикличность процесса и его высокую технологичность. Равномерно распределенные на гранулах пенополистирола и химически связанные с ними частицы модификатора (НАП) вызывают при последующей заливке расплава на такую модель стабильное модифицирование, измельчение структуры сплава и повышение физико-механических свойств отливок в ЛГМ.

Предлагаемый способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям осуществляют следующим образом.

Предварительно вспененные гранулы пенополистирола помещают в аппарат кипящего слоя. Готовят плакирующий состав, % масс.: НАП - 0,5…1,0; периклаз - 1,5…2,0; водный раствор алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) - остальное. Количество периклаза 1,5…2,0% масс. обеспечивает ускоренное химическое затвердевание плакирующего состава на гранулах пенополистирола. Количество модификатора - НАП 0,5…1,0% масс. в плакирующем слое на гранулах пенополистирола создает условия для эффективного и стабильного модифицирования алюминиевых, магниевых и других сплавов.

Указанный химически твердеющий состав впрыскивают в виде аэрозоля в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью (1…4)×10-3 кг/с⋅м2. Удельная скорость впрыскивания - это масса плакирующего состава, впрыскиваемая в единицу времени на единицу площади кипящего слоя пенополистирола. Представленный диапазон значений удельной скорости впрыскивания плакирующего состава обеспечивает высокую степень равномерности покрытия гранул пенополистирола модификатором - НАП. Если удельная скорость будет меньше, чем 1×10-3 кг/с⋅м2, то толщина плакирующей пленки будет недостаточной для стабильного внутриформенного модифицирования расплава в ЛГМ. Если удельная скорость впрыскивания будет больше, чем 4×10-3 кг/с⋅м2, то наблюдается нежелательный эффект преждевременного спекания плакированных гранул пенополистирола и их комкование.

Затем плакированные гранулы пенополистирола смешивают с неокрашенными. Полученную смесь гранул засыпают или задувают в пресс-форму, которая подвергается термической обработке известными способами. Модели собирают в модельные блоки, окрашивают антипригарной газопроницаемой краской, размещают в опоке, заполняют опоки несвязанным формовочным материалом, уплотняют его вибрацией, герметизируют и вакуумируют опоки, заливают металлом. При заливке металла пенополистирол выгорает, а модификатор смешивается с металлом, создавая в нем большое число центров кристаллизации. Это приводит к улучшению качества отливок, повышению физико-механических и литейных свойств сплавов.

Предлагаемый способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Предварительно вспененные гранулы пенополистирола помещают в аппарат кипящего слоя. Готовят плакирующие составы, представленные в таблице 1.

Указанные составы впрыскивают в виде аэрозоля в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью 3×10-3 кг/с⋅м2. Затем плакированные гранулы пенополистирола смешивают с неокрашенными, которые составляют 20% по объему. Полученную смесь гранул засыпают в пресс-форму, которая подвергается электронагреву. Модели собирают в модельные блоки, окрашивают антипригарной газопроницаемой краской, размещают в опоке, заполняют опоки несвязанным формовочным материалом, уплотняют его вибрацией, герметизируют и вакуумируют опоки. Подготовленные опоки заливают алюминиевым сплавом АК7 (ГОСТ 1583-93) и магниевым сплавом МЛ5 (ГОСТ 2856-79) при температуре 720…730°C.

Из каждой плавки отливались образцы для механических испытаний и технологическая проба, по излому которой оценивалась структура сплава. Определялись также литейные свойства сплава: жидкотекучесть по спиральной пробе (ГОСТ 16438-70), линейная усадка, склонность к образованию трещин на технологических пробах по размеру кольца (методика Спектровой С.И. и Лебедевой А.А.). Для этого готовый сплав заливали в специально подготовленные литейные формы. Образцы для механических исследований термообрабатывались по режиму Т4.

Сравнительные показатели способов изготовления отливок ЛГМ представлены в таблице 2.

Пример 2. Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям осуществляют аналогично примеру 1. При этом используют состав №5, как показавший наилучшие технологические свойства. Варьируют удельную скорость впрыскивания плакирующей смеси на гранулы пенополистирола: (1, 2, 4)×10 кг/с⋅м2. Ее влияние на структуру и свойства отливок представлено в таблице 3.

Таким образом, из данных таблиц 2 и 3 видно, что предлагаемый способ позволяет значительно ускорить процесс подготовки гранул пенополистирола для изготовления моделей за счет химически твердеющего плакирующего слоя. Наноструктурированный материал, входящий в плакирующий состав, обеспечивает его высокую адгезию к гранулам пенополистирола. В результате достигается существенное улучшение как физико-механических, так и литейных свойств сплавов.

Учитывая повышенный комплекс свойств отливок, предлагаемый способ может быть использован практически в любых отечественных и зарубежных цехах ЛГМ.

Формула изобретения

Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям, включающий получение моделей в пресс-форме путем засыпки предварительно вспененных гранул пенополистирола с нанесенными на них модификаторами в пресс-форму совместно с неокрашенными гранулами пенополистирола и окончательного вспенивания, сборку моделей в модельный блок, окрашивание модельного блока газопроницаемой антипригарной краской, размещение модельного блока в опоке, заполнение опоки несвязанным формовочным материалом, уплотнение его вибрацией, герметизацию и вакуумирование опоки, заливку металла, отличающийся тем, что нанесение модификаторов на гранулы пенополистирола осуществляют путем впрыскивания в кипящий слой гранул пенополистирола с удельной скоростью (1…4)×10-3 кг/с⋅м2 аэрозоля химически твердеющего плакирующего состава, содержащего, мас.%:

Изобретение "Способ изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям" (Знаменский Леонид Геннадьевич, Ивочкина Ольга Викторовна, Варламов Алексей Сергеевич ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога