Проектирование цеха литья в кокиль мощностью 4000 т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исследовательская

часть

 

 

Содержание

1. Основы технологии…………………………………………………..3

2. Исследования структуры и механических  свойств 

получаемого материала………………………………………………..6

3. Заключение…………………………………………………………..9

Список литературы…………………………………………………….10

 

 

 

 

Изготовление кокилей из композиционных материалов

1. Основы технологии

 В кокилях, изготовленных методами  порошковой металлургии, наиболее полно воплощается идея расчленения. Действительно, здесь происходит продольное и поперечное деление стенки формы. Изготовление кокиля методом порошковой металлургии заключается в том, что кокиль получают путем прессования металлического порошка в пресс-формах прямым или гидростатическим прессованием с последующим спеканием прессовок. Процесс изготовления кокилей с несложной конфигурацией литейной полости и незначительными перепадами сечений прямым прессованием даст удовлетворительные результаты. Решающую роль при этом играет тщательность изготовления матриц пресс-форм и пуансонов, имеющих конфигурацию модели отливки. Но при усложнении конфигурации рабочих полостей кокилей, увеличении вертикального габаритного размера по отношению к горизонтальному и наличии разностейности в кокиле возникают трудности в получении качественных прессовок. Главная из них — это неравномерное уплотнение порошка в объеме прессуемого изделия, в результате чего возникает расслоение, обнаруживаемое в прессовках сразу после извлечения их из пресс-форм, или происходит неравномерная усадка прессовок во время спекания. Поэтому рекомендуется метод гидростатического прессования, так как одним из основных его достоинств является равномерность распределения плотности по объему изделия. Собранная пресс-форма для гидростатического прессования показана на рис. 1.

Метод гидростатического прессования металлических порошков позволяет изготовлять многослойные кокили и тем самым дифференцированно регулировать теплофизические и механические свойства кокиля. Для повышения сопротивления термомеханической усталости металлокерамических материалов можно применять армирование — введение в матрицу из железного порошка марки ПЖ2М отрезков молибденовой проволоки. Испытание показало, что устойчивость против термомехаиической усталости армированных материалов в несколько раз выше, чем неармированных. Это обусловлено повышением энергии зарождения и распространения трещины.

Для цилиндрических полостей кокиля армирующую проволоку располагают непосредственно па поверхности рабочей полости. Этот способ получения покрытий заключается в том, что на металлическую модель 1 внутренней полости кокиля навивают сплошной слой проволоки 2 нужного диаметра (рис. 2). После этого модель с проволокой помещают в эластичную герметичную оболочку 3 с металлическим порошком 4, а затем в камеру прессовании для гидростатического опрессовывания покрытия металлический порошком. Последующее спекание и пропитка железоборидным сплавом надежно соединяет покрытие с железной  матрицей.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Собранная пресс-форма

1-эластичная оболочка; 2,3-металлический  порошок; 4-модель; 5-пластина.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Схема получения армированного кокиля

 

 

 

 

Рис. 3 Камера гидростатического прессования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее прессовку с установленным на ней питателем из железоборидного сплава эвтектического состава подвергают пропитке и ЖФС в вакуумной или электропечи с засыпкой из кварцевого песка. Температура спекания 1200°С, время спекания 1 ч. Рабочая полость изготовленного таким способом кокиля не нуждается в последующей механообработке. Шихту для пропитывающего сплава получают, смешивая порошки бора или борсодержащих материалов с железным порошком ПЖ2М2. Смешивание производят в смесителе пьяная бочка в течение 3...4 ч.

 

 

2. Исследования структуры  и механических свойств получаемого материала

Для исследования структуры и механических свойств получаемого материала готовили образцы 12x12x55 мм совместным прессованием железной матрицы из порошка ПЖ2М2 и шихты пропитывающего сплава в жесткой пресс-форме. Образцы спекались по вышеуказанному режиму,  качестве  борсодержащего материала выбрали ферробор FeB20 как более дешевый и менее дефицитный, по сравнению с порошками бора или (TiCr)B2. Образцы, изготовленные из прессовок, пропитанных указанными сплавами, показали следующие характеристики механических свойств КМ :

 

Пропитывающий сплав	Линейная усадка, %	σ, МПа	δ, %
Fe+3,8%/B	1,0/0,8	290/260	10/4
Fe+14%/ФБ20	1,7/0,9	300/270	6/3
Fe+14%/(TiCr)B2	1,7/1,0	300/290	4/1,8

 

Металлографический, микрорентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализы диаграмм состояния, изучение микроструктур пропитывающего сплава Fe+14% ФБ20 (рис. 4, а) и полученного КМ (рис. 4, б) показали, что пропитывающий сплав включает фазы твердый раствор бора в ά-Fe и Fe2В. Исследования показали, что по механическим свойствам полученные материалы не уступают материалам, содержащим В или (TiCr)B2, но по стоимости в 25-30 раз дешевле, что является определяющим фактором в их применении.

 

 

 

Рис. 4 а. Микроструктура пропитывающего сплава Fe+14%/ФБ20.

 

 

 

 

 

 

Рис. 4 б. Микроструктура полученного КМ.

Изготовленные таким образом кокили при заливке Сu- и Al-сплавами показали удовлетворительную стойкость При заливке кокилей чугуном возникают термонапряжения, превышающие прочность КМ, поэтому для повышения сопротивления термомеханической усталости при 750...800°С, имеющих место при заливке кокилей чугуном, армировали поверхностный слой кокиля расположением в нем Mo-проволоки с высокими механическими свойствами в указонном диапазоне.

Для изучения свойств армированных материалов, полученных пропиткой и ЖФС, испытывали образцы но сопротивление термомехонической усталости по методике [3] циклическим нагревом образцов (пропусканием тока через образец) и последующим охлаждением. 8 качестве показателя термомеханической усталости приняли число циклов тепловых и силовых воздействий, которое выдерживали образцы при определенном режиме испытаний до полного разрушения. Испытания армированных железоборидных материалов на сопротивление термомеханической усталости при нагрузке 100 МПа в диапазоне 19О...75О°С показали, что данный показатель армированных образцов в несколько раз выше, чем неармированных (, N — число циклов до разрушения).

 

 

 

 

Композиционный материал	Число циклов до разрушения
Fe+3,8% B/ Fe	750
Fe+3,8% B/ Fe + 8%Moпр	1500
Fe+3,8% B/ Fe + 20%Moпр	2100
Fe+3,8% B/ Fe + 60%Moпр	7500
Fe+14% B/ Fe + 60%Moпр	8790
CЧ	140

Это можно объяснить тем, что армирующие волокна принимают на себя большую часть термонапряжений, возникающих при нагреве образца, и препятствуют распространению трещин. Металлографические исследования армированных образцов до и после испытаний подтвердили это и показали, что распространению микротрещин, появившихся в матрице композиции, препятствует армирующая проволока (рис. 3).

В процессе испытаний разрушается композиция по границам раздела матрица - волокно (армирующая проволока), что приводит к потере связей между армирующей проволокой и матрицей, в результате чего матрица не способна передавать сдвиговые напряжения волокну. Нарушаются связи между волокном и матрицей, в первую очередь, у волокон, периферия которых представляет собой интерметаллид Fe и Мо, образовавшийся в процессе испытаний материала но термомеханическую усталость, так как возникающие напряжения существенно влияют на диффузию в микрообъемах материала. При значительных нагрузках, вызывающих упруго-пластическую деформацию, коэффициент диффузии изменяется на несколько порядков.

 

 

 

3. Заключение

Газопроницаемость металлокерамических материалов, применяемых для изготовления рабочих стенок кокилей, дает возможность использовать вдув воздуха в форму как способ интенсификации и управления термическими условиями литья. Особенность данного метода — возможность дифференцированного воздействия на отливку как в пространстве, так и во времени.

Так же необходимо отметить, что метод порошковой металлургии дает возможность совмещать решение задач создания материалов с заданными свойствами и придания изделиям необходимой конфигурации.

 

Список литературы

1. А.с. 587172 СССР, МКИ С 22С 38/00; С 22С 32/02; В 22 3/26. Сплав на основе железа А. К. Машков, В. И. Гурдин, Е. П. Поляков и др. 1978. Бюл. №1.

2. А.с. Na34185 СССР, МКИ С 22в 38/00; С 22с 38/32; С 22с 33/02.Металлокерамический материал А К. Машков, В. В. Черниенко 1972. Бюл. № 19.

3. Машков Л К., Коростелев В. Ф. Анализ факторов, влияющих на стойкость кокилей, по результатам испытаний стали 20 на Т.М.У. Изв. вузов. Черная металлургия. - 1973. - №8. - С. 144... 145.