RU2328359C1

RU2328359C1 - Device for production of casts with crystallisation under pressure

Info

Publication number: RU2328359C1
Application number: RU2007101449/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Апполинарьевич Караник (RU); Юрий Апполинарьевич Караник
Original assignee: Юрий Апполинарьевич Караник
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-10

Abstract

FIELD: foundry.

SUBSTANCE: device contains pressure tight reservoir with a casting form located above the furnace with melt, a metal conductor with a cylinder portion, connecting melt in a crucible of the furnace with the casting mold, and a power drive for horizontal relocation of the metal conductor or reservoir and for cutting off metal melt. The pressure tight reservoir is equipped with gas pipes for supply of gas flow under pressure, for vacuum compaction and for connection with atmosphere. The metal conductor is made expendable with a thickness of a wall of the cylinder portion 0.5-5 mm. The metal conductor or its cylinder portion are made out of iron carbon alloys with an aluminised surface or out of aluminium iron, or out of titanium alloy and are equipped with heat protective coating formed under micro plasma oxidising mode.

EFFECT: possibility to produce casts out of iron or non ferrous alloys with upgraded mechanical characteristics; reduction of casts weight and thickness of their walls while maintaining the structure strength.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения отливок с повышенными механическими свойствами металла с кристаллизацией расплава в литейной форме под давлением.The invention relates to the field of foundry and can be used to produce castings with improved mechanical properties of the metal with crystallization of the melt in the mold under pressure.

Известно устройство для получения отливок в литейной форме, помещенной в герметичный контейнер, снабженную металлопроводом, расположенным снизу формы для соединения ее с емкостью с расплавом металла (SU 119767, B22DC 9/04, B22D 18/06. Заявл. 31.01.84 г.).A device is known for producing castings in a mold placed in an airtight container equipped with a metal wire located below the mold for connecting it to a vessel with molten metal (SU 119767, B22DC 9/04, B22D 18/06. Application. January 31 ,.84) .

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для получения отливок с кристаллизацией под давлением, содержащее герметичную емкость, в которой помещена литейная форма, и снабженную газопроводами для вакуумирования и связи с атмосферой, расположенную над печью с расплавом металла, металлопровод, связывающий расплав в тигле печи с нижней частью литейной формы. При этом тигель печи расположен также в герметичной емкости, снабженной газопроводом для подачи газового давления (Заявка Японии 59-54458. Заявл. 20.09.82 г., № 57-164438, Опубл. 29.03.84 г., МКИ B22D 18/02, B22D 18/06).The closest analogue adopted for the prototype is a device for producing castings with crystallization under pressure, containing a sealed container in which the mold is placed, and equipped with pipelines for evacuation and communication with the atmosphere, located above the furnace with molten metal, a metal wire connecting the melt to crucible furnace with the bottom of the mold. Moreover, the crucible of the furnace is also located in a sealed container equipped with a gas pipeline for supplying gas pressure (Application of Japan 59-54458. Application. 09/20/82, No. 57-164438, publ. 03/29/84, MKI B22D 18/02, B22D 18/06).

Данное устройство имеет существенный недостаток, т.к. рассчитано на заливку в формы расплава, нагретого выше температуры ликвидус и затвердевание его в форме под низким давлением, преимущественно 0,06 МПа. Устройство не позволяет заполнять форму жидкотвердым расплавом и осуществлять затвердевание его в форме под наиболее эффективным давлением 0,4-0,6 МПа для получения отливок с повышенными механическими свойствами на уровне поковок и проката.This device has a significant drawback, because It is designed to fill in the form of a melt heated above the liquidus temperature and solidify it in the form under low pressure, mainly 0.06 MPa. The device does not allow filling the mold with a liquid-solid melt and solidifying it in the mold under the most effective pressure of 0.4-0.6 MPa to obtain castings with improved mechanical properties at the level of forgings and rolled products.

Целью предлагаемого технического решения является устранение отмеченных недостатков, т.е. расширение технологических возможностей.The purpose of the proposed technical solution is to eliminate the noted disadvantages, i.e. expansion of technological capabilities.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для получения отливок с кристаллизацией под давлением, содержащем герметичную емкость с литейной формой, снабженная газопроводами для вакуумирования и связи с атмосферой, расположенную над печью с расплавом металла, металлопровод с цилиндрической частью, связывающий расплав, находящийся в тигле печи, с нижней частью литейной формы, металлопровод или емкость с литейной формой взаимодействуют с дополнительно введенным силовым приводом для горизонтального перемещения металлопровода или емкости и отсекания расплава металла, заполнившего форму, от расплава, оставшегося в тигле печи, емкость снабжена дополнительным газопроводом для подачи в нее газового давления, а металлопровод выполнен разовым с толщиной стенки цилиндрической части, - равной 0,5-5 мм.This goal is achieved by the fact that in the device for producing castings with crystallization under pressure, containing a sealed container with a mold, equipped with pipelines for evacuation and communication with the atmosphere, located above the furnace with a molten metal, a metal wire with a cylindrical part connecting the melt located in the crucible the furnace, with the lower part of the mold, a metal wire or a container with a mold interact with an additionally introduced power drive for horizontal movement of the metal wire and whether the container and the cut-off of the molten metal that filled the mold from the molten remaining in the crucible of the furnace, the tank is equipped with an additional gas pipe for supplying gas pressure to it, and the metal pipe is made once with a wall thickness of the cylindrical part equal to 0.5-5 mm.

Такие конструктивные изменения позволяют осуществлять заливку расплава из печи в форму в жидкотвердом состоянии, производить затвердевание его в форме, например, под газовым давлением величиной 0,4-0,6 МПа и получать отливки с повышенными механическими свойствами металла на уровне поковок и проката.Such structural changes allow the melt to be poured from the furnace into a mold in a liquid-solid state, to solidify it in a mold, for example, under gas pressure of 0.4-0.6 MPa and to obtain castings with increased mechanical properties of the metal at the level of forgings and rolled products.

Следующее отличие предлагаемого устройства состоит в том, что металлопровод или его цилиндрическая часть выполнены с алитированной поверхностью из железоуглеродистых сплавов, или из алюминиевого чугуна (без алитирования), или из титанового сплава (без алитирования), и снабжены теплозащитным покрытием, образованным в режиме микроплазменного оксидирования.The next difference of the proposed device is that the metal wire or its cylindrical part is made with an aluminized surface of iron-carbon alloys, or of aluminum cast iron (without aluminizing), or of titanium alloy (without aluminizing), and equipped with a heat-protective coating formed in the microplasma oxidation mode .

Такое конструктивное выполнение металлопровода позволяет при небольших затратах на его изготовление осуществлять заливку в литейные формы расплава в жидкотвердом состоянии.Such a constructive implementation of the metal wire allows for the low cost of its manufacture to be poured into molten molds in a liquid-solid state.

На фиг.1 изображен контейнер с литейной формой для получения отливки крестовины стрелочного перевода (перед заливкой), на фиг.2 - контейнер с литейной формой для получения этой отливки с плавильной печью (после заливки), на фиг.3 - контейнер с литейной формой для получения железнодорожных колес по газифицируемым пенополистироловым моделям, на фиг.4 - контейнер с керамическими формами для получения стальных отливок.Figure 1 shows a container with a mold for casting a turnout cross (before pouring), figure 2 - a container with a mold for receiving this casting with a melting furnace (after pouring), figure 3 - a container with a mold to obtain railway wheels by gasified polystyrene foam models, figure 4 - container with ceramic molds for steel castings.

Устройство состоит из пенополистироловой модели 1, заформованной сухим кварцевым песком в разъемном контейнере 2, с герметизирующим уплотнением 3, металлопровода 4, выполненным из алюминиевого чугуна, смонтированным в кронштейне 6 через уплотнение 5. В верхней крышке контейнера 2 расположены газопроводы 7, 8, 9, соответственно для вакуумирования, подачи газового давления и связи с атмосферой. В нижней части контейнера 2 расположена песчаная вставка 10, кольцевая канавка 11 для герметизации контейнера 2 в процессе заливки расплавом. Для горизонтального перемещения металлопровода 4 имеется силовой привод 12 со штоком 13 (фиг.2, фиг.1).The device consists of polystyrene foam model 1, molded with dry quartz sand in a detachable container 2, with a sealing seal 3, metal wire 4 made of cast iron, mounted in an arm 6 through a seal 5. In the upper lid of the container 2 there are gas pipelines 7, 8, 9, respectively for evacuation, gas pressure supply and communication with the atmosphere. In the lower part of the container 2 there is a sand insert 10, an annular groove 11 for sealing the container 2 during the melt pouring process. For horizontal movement of the metal wire 4 there is a power drive 12 with a rod 13 (figure 2, figure 1).

Для получения железнодорожных колес устройство содержит пенополистироловые газифицируемые модели 14, смонтированные со стояком 15, размещенные в контейнере 16. Контейнер снабжен газопроводами 17, 18, 19 соответственно для вакуумирования, подачи газового давления и связи с атмосферой. Для подачи расплава в контейнер 16 к донной части его присоединен металлопровод 20, выполненный из стали с алитированной поверхностью и оксидным слоем. Металлопровод 20 смонтирован в кронштейнере 24 через уплотнение 21 и взаимодействует со штоком 26 гидропривода 25. В нижней плите контейнера расположена кольцевая канавка 23 (для герметизации) и песчаная вставка 22.To obtain railway wheels, the device contains polystyrene foam gasified models 14 mounted with a riser 15, placed in the container 16. The container is equipped with pipelines 17, 18, 19, respectively, for evacuation, supply of gas pressure and communication with the atmosphere. To supply the melt to the container 16, a metal wire 20 made of steel with an aluminized surface and an oxide layer is attached to its bottom. The metal wire 20 is mounted in the bracket 24 through the seal 21 and interacts with the stem 26 of the hydraulic actuator 25. An annular groove 23 (for sealing) and a sand insert 22 are located in the bottom plate of the container.

Для получения отливок по выплавляемым моделям устройство содержит керамические блоки 27, смонтированные со стержнями 28, 29, 30, и расположены в герметичном контейнере 31. В нижней плите контейнера 31 расположена песчаная вставка 32 и кольцевая канавка 33. Контейнер 31 снабжен газопроводами 34, 35, 36, соответственно для вакуумирования, подачи газового давления и связи с атмосферой. Контейнер 31 установлен на плите 37, в которую вмонтирован металлопровод 38, погруженный в расплав металла печи, которая размещена в герметичном корпусе 39, снабженном газопроводом 40 для подачи газового давления.To obtain investment castings, the device contains ceramic blocks 27 mounted with rods 28, 29, 30 and located in an airtight container 31. A sand insert 32 and an annular groove 33 are located in the bottom plate of the container 31. The container 31 is equipped with gas pipes 34, 35, 36, respectively, for evacuation, gas pressure supply and communication with the atmosphere. The container 31 is mounted on a plate 37, in which a metal wire 38 is mounted immersed in the molten metal of the furnace, which is housed in a sealed housing 39 provided with a gas pipe 40 for supplying gas pressure.

Устройство работает следующим образом. Пенополистироловые газифицированные модели железнодорожных крестовин 1 (фиг.1) засыпаются кварцевым песком в контейнере 2, имеющем герметизирующее уплотнение 3. Плавка стали ведется по известному режиму. Приготовленная сталь охлаждается в печи до температуры солидус (1300°С), при этом растворенные в стали газы удаляются, а затем сталь быстро нагревается до температуры 1340°C (до жидкотвердого состояния). Металлопровод 4 погружается в расплав металла (фиг.2) и контейнер 2 соединяется с системой вакуумирования через газопровод 7. Расплав стали по металлопроводу 4 поступает в контейнер 2 со скоростью 5 м/с, выжигая пенополистироловую модель. Первые порции металла заливаются в канавку 11 и герметизируют контейнер 2 снизу. Продукты газификации модели отсасываются из контейнера 2 системой вакуумирования через газопровод 7. После заполнения рабочей полости формы включается гидроцилиндр 12 и штоком 13 металлопровод 4 смещается вправо, отсекая расплав металла в металлопроводе от расплава металла в форме, после чего в контейнер 2 через газопровод 8 подается сжатый воздух под давлением в 5 атмосфер и производится выдержка до затвердевания отливки. Заливка в жидко-твердом состоянии обеспечивает химическую однородность и мелкое первичное зерно отливки, а кристаллизация под газовым давлением - беспористый металл. После затвердевания отливки контейнер 2 соединяется с атмосферой через газопровод 9. Затем отливка извлекается из песка, и процесс повторяется.The device operates as follows. Expanded polystyrene gasified models of railway crosses 1 (Fig. 1) are filled with quartz sand in a container 2 having a sealing seal 3. Steel is melted according to the known regime. The prepared steel is cooled in a furnace to a solidus temperature (1300 ° C), while the gases dissolved in the steel are removed, and then the steel quickly heats up to a temperature of 1340 ° C (to a liquid-solid state). The metal wire 4 is immersed in the molten metal (figure 2) and the container 2 is connected to the vacuum system through the gas pipeline 7. The molten steel through the metal wire 4 enters the container 2 at a speed of 5 m / s, burning off the polystyrene foam model. The first portions of metal are poured into the groove 11 and seal the container 2 from the bottom. The gasification products of the model are sucked out of the container 2 by a vacuum system through the gas pipeline 7. After filling the working cavity of the mold, the hydraulic cylinder 12 is turned on and the metal wire 4 is displaced to the right by the rod 13, cutting off the metal melt in the metal wire from the metal melt in the mold, and then compressed into the container 2 through gas pipeline 8 air under a pressure of 5 atmospheres and exposure is carried out until the casting hardens. Liquid-solid pouring provides chemical uniformity and fine primary grain of the casting, while crystallization under gas pressure provides a non-porous metal. After the casting has solidified, the container 2 is connected to the atmosphere through a gas pipeline 9. Then, the casting is removed from the sand, and the process is repeated.

Полученная отливка химически однородна, с мелким первичным зерном, не имеет микропор и, как следствие, повышены механические свойства по сравнению с требованиями ГОСТ на литье: до 30% более высокую прочность и более высокую пластичность.The resulting casting is chemically homogeneous, with a fine primary grain, does not have micropores and, as a result, mechanical properties are improved compared to the requirements of GOST for casting: up to 30% higher strength and higher ductility.

Железнодорожные колеса из стали ЭИ293 изготавливаются в устройстве (фиг.3).Railway wheels made of steel EI293 are made in the device (figure 3).

Сталь выплавляется по известным режимам и модифицируется наночастицами цементита при температуре не выше 1500°С. С температуры 1500°С сталь охлаждается в печи до 1400°С и в нее погружается металлопровод 20 с одновременным соединением контейнера 16 с системой вакуумирования. Сталь заполняет рабочие полости литейных форм, выжигая пенополистироловые модели 14. После заполнения расплавом литейной формы металлопровод 20 перемещается гидроцилиндром 25 и штоком 26 вправо, отсекая расплав, находящийся в контейнере 16, от расплава, находящегося в металлопроводе 20. Вакуум отключается и в контейнер 16 подается сжатый воздух через газопровод 18 под давлением 5 атм. Жидко-твердая сталь затвердевает объемно и имеет химически однородную структуру с мелким первичным зерном, а кристаллизация под газовым давлением обеспечивает устранение в литом металле микропористости.Steel is smelted according to known conditions and is modified by cementite nanoparticles at a temperature of no higher than 1500 ° C. From a temperature of 1500 ° C, the steel is cooled in the furnace to 1400 ° C and the metal wire 20 is immersed in it with the simultaneous connection of the container 16 with a vacuum system. Steel fills the working cavities of the molds, burning polystyrene foam models 14. After the molten mold is filled, the metal wire 20 is moved by the hydraulic cylinder 25 and the rod 26 to the right, cutting off the melt located in the container 16 from the melt in the metal wire 20. The vacuum is disconnected and fed into the container 16 compressed air through the gas pipe 18 under a pressure of 5 atm. Liquid-solid steel hardens in bulk and has a chemically uniform structure with a fine primary grain, and crystallization under gas pressure eliminates microporosity in the cast metal.

Велосипедные стальные каретки изготавливаются в устройстве (фиг.4) следующим образом.Bicycle steel carriages are made in the device (figure 4) as follows.

Сталь выплавляется в индукционной печи по известной технологии. Готовая сталь охлаждается в печи с температурой 1560°С до температуры 1475°C. Контейнер 31 устанавливается на плиту 37 с металлопроводом 38, который погружают в сталь. В кожух печи 39 подается сжатый газ под давлением в 2 атм через газопровод 40 и одновременно контейнер 1 вакуумируется через газопровод 34. Расплав стали через металлопровод 38 заполняет рабочие полости формы 27 со скоростью потока в литниковом ходе 5 м/с. После заполнения рабочих полостей форм 27 контейнер 31 сдвигается по плите 37 вправо силовым гидроприводом (на чертеже не показан), отсекая расплав в формах от расплава метелла в металлопроводе 38, после чего в контейнер 31 через газопровод 35 подается сжатый газ под давлением в 5 атм и производится выдержка под давлением до затвердевания отливок. Затем газовое давление в контейнере 31 сбрасывается через газопровод 36 до атмосферного, отливки охлаждаются в контейнере до 900°С, а затем охлаждаются на воздухе (при этом выполняется операция нормализации). Готовые отливки химически однородны, с мелким первичным зерном, не имеют микропор, а механические свойства металла отливок соответствуют механическим свойствам поковок и проката. Общее количество отливок, получаемых за одну заливку, составляет 288 штук.Steel is smelted in an induction furnace using known technology. The finished steel is cooled in a furnace with a temperature of 1560 ° C to a temperature of 1475 ° C. The container 31 is mounted on a plate 37 with a metal wire 38, which is immersed in steel. Compressed gas is supplied to the furnace casing 39 at a pressure of 2 atm through the gas pipe 40 and at the same time the container 1 is evacuated through the gas pipe 34. The steel melt through the metal pipe 38 fills the working cavities of the mold 27 with a flow velocity in the run of 5 m / s. After filling the working cavities of the molds 27, the container 31 moves to the right along the plate 37 with a hydraulic actuator (not shown in the drawing), cutting off the melt in the molds from the broomstick melt in the metal wire 38, after which compressed gas is supplied to the container 31 through the gas pipeline 35 under a pressure of 5 atm and holding under pressure until the castings harden. Then the gas pressure in the container 31 is released through the gas line 36 to atmospheric, the castings are cooled in the container to 900 ° C, and then cooled in air (the normalization operation is performed). Finished castings are chemically homogeneous, with a fine primary grain, do not have micropores, and the mechanical properties of the metal castings correspond to the mechanical properties of forgings and rolled products. The total number of castings obtained in one casting is 288 pieces.

Использование изобретения позволяет получать отливки из черных и цветных металлов и сплавов с повышенными механическими свойствами на уровне деформированного металла (поковок и проката), снижать вес отливок с уменьшением толщины их стенок и сохранением конструктивной прочности, заменять детали, изготавливаемые из деформированного металла с низким КИМ на литье с КИМ до 0,95, заменять отдельные сварные конструкции на литье с повышением их эксплуатационных характеристик, снять ограничения по весу и габаритам отливок, получаемых из жидко-твердого¹ (¹Под жидко-твердым расплавом металла следует понимать или сплав с температурой ниже точки ликвидус, или расплав металла с температурой выше точки ликвидуса, но содержащий (за счет введения в расплав малых долей модификатор II рода до 0,05%) наночастицы тугоплавких химических соединений, например TiCN. или характеризующийся обеими признаками) расплава в разовых формах с кристаллизацией под давлением.The use of the invention allows to obtain castings from ferrous and non-ferrous metals and alloys with improved mechanical properties at the level of the deformed metal (forgings and rolled products), to reduce the weight of castings with a decrease in their wall thickness and maintaining structural strength, to replace parts made of deformed metal with low CMM by casting with CMM to 0.95, replace individual welded structures with castings with an increase in their operational characteristics, remove restrictions on the weight and dimensions of castings obtained from liquid erdogo ¹ ⁽¹ or alloy to be understood at a temperature below the liquidus, or molten metal at a temperature above the liquidus, but containing (by introducing into the melt small fraction II modifier kind to 0.05%) nanoparticles refractory under liquid-solid metal melt chemical compounds, for example TiCN. or characterized by both features) melt in single forms with crystallization under pressure.

Claims

1. A device for producing castings with crystallization under pressure, containing a sealed container with a casting mold, equipped with pipelines for evacuation and communication with the atmosphere, located above the furnace with molten metal, a single metal wire with a cylindrical part connecting the melt in the crucible to the bottom part of the mold, characterized in that the metal wire or the container with the mold is made with the possibility of interaction with the power drive for horizontal movement of the metal wire or tank and cutting off the molten metal filled in the shape of the melt remaining in the crucible furnace, the container is provided with an additional gas line for supplying gas pressure in it, and metalloprovoda formed with a cylindrical wall portion thickness of 0.5-5 mm.

2. The device according to claim 1, characterized in that the metal wire or its cylindrical part is made of iron-carbon alloys with aluminized surface, or of aluminum cast iron, or of titanium alloy and equipped with a heat-protective coating formed in the microplasma oxidation mode.