Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов

Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов

Реферат

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам получения отливок методом литья по газифицируемым моделям.

Из уровня техники известен способ получения отливок литьем по газифицируемым моделям, при котором противопригарное покрытие наряду с огнеупорным наполнителем дополнительно содержит легирующие элементы (порошковый кремний) для улучшения обрабатываемости отливок (А.с. СССР №697244, В22С 3/00, опубл. 15.11.1979, бюл. №42).

Недостатком данного способа является сложность в обеспечении равномерного распределения легирующих элементов, и как следствие, затруднение диффузии легирующих элементов в поверхностный слой отливок и сложность в получении равномерного легированного слоя на поверхности отливок.

Наиболее близким по технической сущности является способ модифицирования поверхности отливок (Патент РФ №2391177 С2, В22С 3/00, опубл. 10.06.2010), включающий нанесение на поверхность модели из пенополистирола модифицирующих и легирующих поверхность отливок элементов в виде пасты, краски или пудры с последующим нанесением противопригарного покрытия.

Недостатком данного способа является формирование легированного слоя на поверхности отливок за счет процессов растворения, диффузии и массопереноса легирующих элементов в поверхностном слое, что не позволяет формировать легированный слой значительной толщины и заданного состава, поскольку процессы диффузии и образования фаз в значительной степени зависят от состава заливаемого расплава и сродства элементов расплава к легирующим элементам.

Все это снижает универсальность способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности способа выражается в возможности формирования легированного слоя значительной толщины (до 20 мм) и заданного состава, не зависимо от марки заливаемого железоуглеродистого сплава, за счет протекания в данной легирующей композиции СВС-реакции (самораспространяющийся высокотемпературный синтез), которая обеспечивает, с одной стороны, формирование требуемого фазового состава, а с другой - хорошую адгезию легированного слоя к заливаемому железоуглеродистому сплаву.

Способ осуществляется следующим образом.

Легирующую композицию, состоящую из смеси порошкообразных титана и карбида бора, взятых в отношении массы титана к массе карбида бора от 0,66 до 9,00, смешивают с клеевым связующим, содержание которого составляет от 5 до 90% (масс.) от массы сухой порошкообразной смеси титана и карбида бора, после чего ее наносят на поверхность модели из пенополистирола. Отношение массы титана к массе карбида бора, равное 0,66, позволяет применять легирующую композицию с содержанием титана в сухой порошкообразной смеси, равным 40% (масс.). Применение легирующей композиции с содержанием титана менее 40% (масс.) (при отношении массы титана к массе карбида бора менее 0,66) не позволяет инициировать СВС-реакцию, и, как следствие, получить легированный слой требуемой толщины и состава. Легирующая композиция, содержащая более 90% (масс.) титана в сухой порошкообразной смеси, вызывает его растворение в поверхностном слое отливки, затрудняет начало СВС-реакции и не обеспечивает получения качественного легированного слоя с заданным составом и толщиной. Для получения качественного легированного слоя способ предусматривает использование сухой порошкообразной смеси, с отношением масс титана к карбиду бора, не превышающим 9,00 (в пересчете на процентное содержание титана в сухой смеси - не более 90% (масс.)). Количество клеевого связующего выбирается исходя из требуемой толщины легированного слоя и находится в пределах от 5 до 90% (масс.) от массы сухой порошкообразной смеси титана и карбида бора. Применение легирующей композиции, содержащей менее 5% (масс.) клеевого связующего не позволяет обеспечить хорошей адгезии легирующего покрытия к поверхности модели из пенополистирола, вызывая отслаивание легирующей композиции от поверхности модели. Применение легирующей композиции, содержащей более 90% масс. клеевого связующего, приводит к значительному газовыделению при изготовлении отливок и формированию неравномерного и пористого легированного слоя. Для предотвращения изменений параметров модели способ предусматривает применять при изготовлении легирующей композиции клеевые составы, не взаимодействующие, в том числе не растворяющие пенополистирол. Крупность легирующих порошкообразных материалов (титана и карбида бора) лежит в пределах от 1 нм до 6 мм. Фракцию менее 1 нм технически сложно получить, а применение порошков с крупностью более 6 мм не позволяет инициировать СВС-реакцию в легирующей композиции. В зависимости от требований, предъявляемых к отливкам, способ предусматривает нанесение легирующей композиции на модель локально, тем самым обеспечивая формирование легированного слоя на требуемых участках поверхности отливок. Также способ допускает наносить легирующую композицию на поверхность модели переменным по толщине слоем. Максимальная толщина легирующей композиции, нанесенной на поверхность модели, не превышает 20 мм, поскольку слой, толщиной свыше 20 мм формирует на поверхности отливок пористый и неоднородный легированный слой. Известно, что СВС-реакции сопровождаются выделением тепловой энергии и газов. Для предотвращения брака в отливках способ допускает не наносить поверх легирующей композиции противопригарного покрытия, тем самым обеспечивая выход газообразных продуктов в поры опорного материала, удерживающего модельные блоки при формообразовании отливок.

Для формирования легированного слоя, содержащего структурные составляющие на основе железа, а также расширения области применения, способ предусматривает приготовление легирующей композиции путем смешивания сухой порошкообразной смеси, содержащей ферротитан, с содержанием титана не менее 60%, и карбид бора, взятых в отношении массы ферротитана к массе карбида бора от 1,00 до 9,00, с клеевым связующим, содержание которого находится в пределах от 5 до 90% (масс.) от массы сухой порошкообразной смеси. Применение ферротитана позволяет формировать в легированном слое отливок структурные составляющие на основе железа (карбиды, бориды железа). Использование ферротитана с содержанием титана менее 60% нецелесообразно, поскольку инициировать СВС-реакцию крайне затруднительно. Кроме того, ферротитан более доступен, лучше подвергается измельчению, по сравнению с титаном, что расширяет область применения данного способа для изготовления отливок.

После нанесения легирующей композиции на поверхность модели и ее сушки модели окрашивают противопригарным покрытием, после высыхания которого модель помещают в опоку, засыпают опорным материалом и заливают металлическим расплавом.

Примеры конкретного исполнения:

Пример 1. Легирующую композицию готовили путем смешивания сухой порошкообразной смеси, содержащей титан и карбид бора, с отношением массы титана к массе карбида бора, равным 1,50 (60% (масс.) титана и 40% (масс.) карбида бора в пересчете на сухую порошкообразную смесь) с клеевым связующим в следующем соотношении:

Сухая порошкообразная смесь титана и карбида бора
с отношением масс титана к карбиду бора 1,50	70% (масс.)
Клеевое связующее	30% (масс.)

Полученную композицию наносили на поверхность модели из пенополистирола слоем 5, 8 и 10 мм. Модели заливали расплавом стали 40. Полученные отливки содержали легированный слой, толщиной, соответствующей толщине легирующей композиции. Легированный слой обладает высокой твердостью 897÷1163 HV_0,05 (67÷71 HRC), превосходящей твердость основного металла (290÷323 HV_0,05 (29÷33 HRC)) за счет наличия в его составе борида (TiB₂) и карбида (TiC) титана.

Пример 2. Легирующую композицию готовили путем смешивания сухой порошкообразной смеси, содержащей ферротитан (с содержанием титана 70% масс.) и карбид бора с отношением массы ферротитана к массе карбида бора, равным 4,00 (80% (масс.) ферротитана и 20% (масс.) карбида бора в пересчете на сухую порошкообразную смесь) с клеевым связующим в следующем соотношении:

Сухая порошкообразная смесь ферротитана и карбида бора
с отношением масс ферротитана к карбиду бора 4,00	60% (масс.)
Клеевое связующее	40% (масс.)

Полученную композицию наносили на поверхность модели из пенополистирола слоем 10 и 15 мм. Модели заливали расплавом серого чугуна. Полученные отливки содержали легированный слой, толщиной, соответствующей толщине легирующей композиции. Легированный слой обладает высокой твердостью 611÷797 HV_0,05 (59÷64 HRC), превосходящей твердость основного металла (239÷291 HV_0,05 (21÷26 HRC)) за счет наличия в его составе борида (TiB₂) и карбида (TiC) титана, а также борида (Fe₂B) и карбида (Fe₃C) железа.

1. Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов методом литья по газифицируемым моделям, включающий нанесение легирующей композиции на поверхность модели из пенополистирола, отличающийся тем, что легирующую композицию готовят путем смешивания сухой порошкообразной смеси титана и карбида бора с отношением массы титана к массе карбида бора от 0,66 до 9,00, с клеевым связующим в следующих соотношениях, мас.%:

сухая порошкообразная смесь титана и карбида бора
с отношением масс титана к карбиду бора 0,66÷9,00	95÷10
клеевое связующее	5÷90

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крупность порошков титана и карбида бора составляет от 1 нм до 6 мм.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве клеевого связующего используют составы, не взаимодействующие с пенополистиролом.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что легирующую композицию наносят на газифицируемую модель локально на требуемые участки.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что легирующую композицию наносят на газифицируемую модель слоем толщиной не более 20 мм.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что легирующую композицию наносят на газифицируемую модель слоем переменной толщины.

7. Способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов методом литья по газифицируемым моделям, включающий нанесение легирующей композиции на поверхность модели из пенополистирола, отличающийся тем, что легирующую композицию готовят путем смешивания сухой порошкообразной смеси ферротитана с содержанием титана не менее 60% и карбида бора с отношением массы ферротитана к массе карбида бора от 1,00 до 9,00, с клеевым связующим в следующих соотношениях, мас.%:

сухая порошкообразная смесь ферротитана и карбида бора
с отношением масс ферротитана к карбиду бора 0,66÷9,00	95÷10
клеевое связующее	5÷90

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что крупность порошков ферротитана и карбида бора составляет от 1 нм до 6 мм.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве клеевого связующего используют составы, не взаимодействующие с пенополистиролом.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что легирующую композицию наносят на газифицируемую модель локально на требуемые участки.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что легирующую композицию наносят на газифицируемую модель слоем толщиной не более 20 мм.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что легирующую композицию наносят на газифицируемую модель слоем переменной толщины.