ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

Способ изготовления композиционных чугунных отливок включает приготовление вставок из легирующей композиции, подготовку литейной формы с использованием вставок и заливку формы расплавом серого чугуна. Вставки приготавливают из смеси, имеющей следующий состав, мас.%:

Порошкообразный магний - 2-4

Скрытокристаллический графит - 3-4

Феррохром ФХ650 или ФХ800 - 2-3

Полистирол - 1,5-2

Ферротитан с содержанием титана 60-68% - остальное

Вставки вклеивают в пенополистироловую модепь и используют ее при изготовлении литейной формы.

Использование пенополистироловых моделей выбрано исходя из следующих соображений:

1. В пенополистироловых моделях значительно облегчен монтаж вставок путем их вклеивания.

2. При заполнении формы жидким металлом пенополистироловые модели газифицируются, создавая в форме восстановительную атмосферу и обеспечивая дополнительный источник углерода для протекания СВС-реакций (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза).

3. Метод литья по газифицируемым пенополистироловым моделям экономически и технологически наиболее пригоден для получения точных отливок мелкого и среднего развеса.

При заполнении литейной формы жидким чугуном в зоне расположения вставок протекает СВС-реакция. В качестве такой реакции выбран процесс образования карбида титана: Ti+C-- >TiC, сопровождающийся выделением большого количества тепла (~230 кДж на 1 моль карбида титана), что приводит к резкому разогреву металла в зоне СВС-вставки (до 1600-1650°С) и формированию в этой зоне металлокерамического слоя на основе высокотвердого и износостойкого карбида титана. В процессе расплавления материала вставок и протекания СВС-реакции происходит также частичный массо- и теплообмен с прилегающими слоями жидкого чугуна. Поэтому после завершения процессов кристаллизации отливка приобретает композиционный (макрогетерогенный) характер со значительным различием в химическом составе, структуре и свойствах металла в разных зонах отливки при сравнительно плавном переходе от одной зоны к другой.

Основой СВС-вставок должен служить ферротитан, содержащий 65-68% Ti, в связи с его сравнительно низкой температурой плавления (1080-1100°С), что обеспечивает его гарантированный перевод в жидкое состояние при температуре заливаемого в форму жидкого чугуна и значительно облегчает протекание СВС-реакции.

В качестве второго основного компонента вставки должен входить графит в количестве, обеспечивающем (совместно с углеродом других составляющих вставки, жидкого чугуна и газовой атмосферы литейной формы) протекание СВС-реакции. Количество графита, рассчитанное исходя из указанных условий с учетом трехкратного разбавления материала вставки жидким чугуном и подтвержденное экспериментально, составляет 3-4%.

Третьим компонентом материала вставки принят феррохром с целью предотвращения возможности графитообразования в зоне СВС-вставки и обеспечения достаточного количества карбидов в переходном слое. Расчет показывает, что для этого необходимо иметь в материале вставки среднее содержание хрома 1,5-2%, что в пересчете на высокоуглеродистый феррохром ФХ650 или ФХ800 (соответственно до 6,5-8% С и не менее 65% Сг) составляет 2-3% (по массе).

Магний в составе СВС-смеси играет роль модификатора расплава в поверхностной и переходной зонах. Переходя в парообразное состояние, он активно рафинирует расплав, и, перемещаясь на значительные расстояния вглубь отливки, обеспечивает формирование переходной зоны со структурой высокопрочного чугуна с шаровидным и (или) вермикулярным графитом. При принятом содержании магния в СВС-смеси он распределяется следующим образом: в материале поверхностного слоя его среднее содержание составляет более 0,1%, в чугуне переходной зоны содержание магния меняется от 0,08-0,06% на границе с поверхностным слоем до 0,03-0,02% при переходе к основной структуре чугуна с пластинчатым графитом. Путем диффузии и вымывания потоком жидкого чугуна из зоны СВС-вставки в переходную зону частично перемещаются также титан и хром, формируя в ней половинчатую структуру с карбидами разного типа (TiC, М ₇С ₃ и М ₃С, где М - атомы металла) и графитом.

Полистирол введен в состав СВС-смеси в качестве связующего. После компактирования смеси (например, в виде пластины) и ее нагревания полистирол размягчается, распределяясь между зернами остальных составляющих, а при охлаждении затвердевает, связывая их между собой. Для этой цели достаточно вводить в состав смеси 1,5-2% полистирола в порошкообразном виде.

Применение способа позволило улучшить условия формирования износостойкого твердосплавного поверхностного слоя и высокопрочного переходного слоя в чугунных отливках мелкого и среднего развеса, обеспечить стабильность получения композиционных чугунных отливок мелкого и среднего развеса с заранее заданными свойствами.