Холодний кокіль для лиття ливарних матеріалів із легких металів, застосування цього кокілю та застосування ливарного чавуну

Номер патенту: 87349

Опубліковано: 10.07.2009

Автори: Сметан Херберт, Трюмпер Юрген

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Холодний кокіль для лиття ливарних матеріалів на основі легких металів, виготовлений із легованого Ni і/або Mn ливарного чавуну, у якому вміст Ni і/або Mn вибрано таким чином, що коефіцієнт теплового розширення холодного кокілю (2) узгоджений з коефіцієнтом теплового розширення ливарного матеріалу на основі легкого металу, що підлягає литтю.

2. Холодний кокіль за п. 1, який відрізняється тим, що вміст Ni у ливарному чавуні становить від 0,1 мас. % до 13 мас. %, зокрема понад 6 мас. %, і менше, ніж 8 мас. %.

3. Холодний кокіль за будь-яким з пп. 1 або 2, який відрізняється тим, що вміст Mn у ливарному чавуні становить від 0,1 до 19 мас. %.

4. Холодний кокіль за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що ливарний чавун крім Ni і/або Mn, а також заліза і неминучих забруднень, містить додатково такі компоненти, мас. %:

С

1,5-4,0

Si

0,5-4,0

Сu

0,3-7,0

Cr

<2,0

Al

0,3-8,0

Ті

0,01-0,5.

5. Застосування холодного кокілю (2), виготовленого за будь-яким з попередніх пунктів, як складової частини піскової форми для лиття блока циліндрів (1) із ливарного матеріалу на основі легкого металу.

6. Застосування ливарного чавуну, який містить, мас. %:

С

1,5-4,0

Si

0,5-4,0

Сu

0,3-7,0

Cr

<2,0

Al

0,3-8,0

Ті

0,01-0,5,

а також принаймні один елемент з групи Ni, Мn із застереженням, що їх вміст становить, мас. %:

Ni

0,1-13,0

Мn

0,1-19,0,

а решта - залізо і неминучі забруднення для виготовлення холодного кокілю (2) для лиття ливарного матеріалу на основі легкого металу.

7. Застосування за п. 5 або 6, яке відрізняється тим, що ливарний матеріал на основі легкого металу є легованим матеріалом на основі алюмінію.

Текст

1. Холодний кокіль для лиття ливарних матеріалів на основі легких металів, виготовлений із легованого Ni і/або Mn ливарного чавуну, у якому вміст Ni і/або Mn вибрано таким чином, що коефіцієнт теплового розширення холодного кокілю (2) узгоджений з коефіцієнтом теплового розширення ливарного матеріалу на основі легкого металу, що підлягає литтю. 2. Холодний кокіль за п.1, який відрізняється тим, що вміст Ni у ливарному чавуні становить від 0,1мас.% до 13мас.%, зокрема понад 6мас.%, і менше, ніж 8мас.%. 3. Холодний кокіль за будь-яким з пп.1 або 2, який відрізняється тим, що вміст Mn у ливарному чавуні становить від 0,1 до 19мас.%. 4. Холодний кокіль за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що ливарний чавун C2 2 (19) 1 3 вдяки застосуванню холодних кокілів прискорене охолодження дозволяє отримати кращу з точки зору механічних параметрів, зокрема щільнішу структуру застиглого виливка у зонах, охолоджених кокілем. Відповідно до цього кокілі застосовують зазвичай у частинах ливарної форми, які утворюють зони виготовлюваного виливка, до яких висуваються особливо високі вимоги. Це стосується зокрема ливарного виготовлення блоків циліндрів або головок блоків циліндрів двигунів внутрішнього згоряння із сплавів легких металів. Типовим прикладом зон ливарної форми, в яких застосовуються холодні кокілі для локального покращення структури, є порожнини циліндрів двигунів внутрішнього згоряння. Під час роботи ходові поверхні порожнин циліндрів зазнають значних навантажень, тому до їх параметрів зносостійкості, в'язкості та міцності висуваються високі вимоги. Звичайні холодні кокілі виготовляють із ливарного чавуну. Вони можуть бути виготовлені просто і дешево ливарним способом. Одначе на практиці з чавунними холодними кокілями при литті ливарних матеріалів із легких металів, таких як алюміній чи магній, виникають проблеми внаслідок меншого коефіцієнта теплового розширення ливарного чавуну порівняно з ливарним матеріалом із легкого металу. При литті холодний кокіль, що перебуває у контакті з розплавом легкого металу, нагрівається і розширюється відповідно до його коефіцієнта теплового розширення. Під час наступного процесу охолодження кокіль знову повертається до свого початкового об'єму. Якщо розплав і кокіль мають різні коефіцієнти температурного розширення, то можуть утворитися напруження і навіть відносні переміщення у зоні контакту між кокілем і застиглим ливарним матеріалом, внаслідок чого у готовому виливку можуть виникнути дефекти. Зокрема можуть виникнути порожнини та інші порівнювані поверхневі дефекти. Такі дефекти є небажаними у зонах, де виникають особливо високі навантаження під час експлуатації виливка. До того ж, напруження, наявні між холодним кокілем і виливком, можуть бути такими значними, що холодний кокіль може бути відокремлений від застиглого виливка лише із порівняно значними зусиллями, що є небажаним особливо при автоматизованому виготовленні виливків із легкого металу. Були здійснені спроби вирішення проблеми, пов'язаної із застосуванням стрижнів із сірого чавуну, шляхом застосування латунних кокілів. Так, із [публікації DE 195 33 529 А1] відоме формування порожнин циліндрів двигунів внутрішнього згоряння за допомогою латунних кокілів, вбудованих у піскову ливарну форму для лиття алюмінієвого розплаву. При цьому склад латуні для цих відомих кокілів вибраний таким чином, що вони мають коефіцієнт теплового розширення принаймні 20×10-6 К-1, узгоджений з коефіцієнтом теплового розширення алюмінієвого розплаву. Завдяки тому, що коефіцієнти теплового розширення кокілю і алюмінію узгоджені, забезпечується в основному однакове розширення і усадка кокілів і ливарного матеріалу. Таким чином можуть бути зменшені до 87349 4 мінімуму напруження між виливком і холодними кокілями. Недоліком відомих латунних кокілів є їх висока ціна і незадовільна зносостійкість. Незручним є також обходження з ними, оскільки латунні кокілі, наприклад, не можуть утримуватися за допомогою магнітів. Тому при автоматизованому виробництві виникає проблема виготовлення ливарних форм, оснащених латунними кокілями. До того ж, для уникнення прилипання ливарного матеріалу до кокілів і досягнення оптимальної якості поверхні виливка на практиці, як правило, поверхню кокілів покривають формувальною фарбою. І ця технологічна операція призводить до ускладнення процесу виробництва, яке неуникно викликає додаткові витрати. Виходячи із викладеного вище рівня техніки, задачею винаходу є розробка дешевого у виготовленні холодного кокілю, який має оптимізовані експлуатаційні параметри і одночасно забезпечує оптимізовані результати лиття. До того ж, має бути надана переважна можливістю застосування такого холодного кокілю. Зрештою, задачею винаходу є також здійснення нового застосування самого собою відомого ливарного чавуну. Стосовно холодного кокілю для лиття ливарних матеріалів із легких металів ця задача вирішена тим, що він виготовлений із легованого нікелем і/або марганцем ливарного чавуну, у якому вміст нікелю і/або марганцю вибрано таким чином, що коефіцієнт теплового розширення холодного кокілю узгоджений з коефіцієнтом теплового розширення ливарного матеріалу із легкого металу, що підлягає литтю. Виготовлений відповідно до винаходу холодний кокіль може бути застосований як складова частина піскової ливарної форми для лиття блока циліндрів із ливарного матеріалу з легкого металу. Винахід використовує можливість такого легування ливарного чавуна, при якому його коефіцієнт теплового розширення відповідає коефіцієнтові теплового розширення розплаву легкого металу, що підлягає литтю. Відповідним чином легований ливарний чавун сам собою уже відомий. Так, [у описі до викладеної німецької заявки DE 27 19 456 А1] уже описаний ливарний чавун, що має коефіцієнт теплового розширення між 16,0×10-6 і 21,0×10-6 К-1 при температурах між 20°С і 100°С. Це відповідає значенням коефіцієнтів теплового розширення типових ливарних алюмінієвих сплавів у тому ж температурному інтервалі. Досі такі ливарні чавуни застосовували лише для деталей, які заливали ливарними матеріалами із легких металів або вбудовували за рахунок усадки, або запресовували. Так, типовим прикладом застосування сплаву, відомого із публікації DE 27 19 456 А1, є формування кільцевих ущільнювальних пазів у виготовлених із легких металів поршнях двигунів внутрішнього згоряння. Достатньо точне для цілей винаходу узгодження коефіцієнтів теплового розширення ливарного чавуну і ливарного матеріалу із легких металів обмежується переважно відхиленням значень коефіцієнтів у діапазоні максимум ±0,4×10-5/К. 5 Неочікувано з'ясувалося, що за прикладом відомих матеріалів леговані марганцем і/або нікелем ливарні марки чугуну можуть мати таку поведінку теплового розширення, що виготовлені із них холодні кокілі мають оптимальну з точки зору бажаного результату лиття поведінку у ливарній формі, зокрема у пісковій ливарній формі. Цього не можна було передбачити тому, що згідно з рівнем техніки на передньому плані стояли суттєві для очікуваної функціональності механічні і структурні параметри відомого ливарного чавуну. На противагу цьому в основі винаходу лежить знання того факту, що отримані таким чином ливарні сплави чавуну завдяки поведінці теплового розширення, досягнутій через механічні і структурні властивості, особливо придатні для застосування як матеріал для виготовлення холодних кокілів. Застосування ливарного чавуну, легованого згідно з винаходом марганцем і нікелем окремо або у відповідній комбінації цих елементів, для виготовлення холодних кокілів може мінімізувати виникаючі у іншому разі напруження у зоні контакту між холодним кокілем і застиглим ливарним матеріалом із легких металів. Завдяки узгодженню коефіцієнтів теплового розширення матеріалу холодного кокілю і ливарного матеріалу із легких металів напруження, що виникають у процесі застигання ливарного матеріалу між холодним кокілем і виливком, зменшені до мінімуму. Одночасно завдяки застосуванню холодного кокілю надійно забезпечується досягнення відомого із рівня техніки вигідного ефекту спрямованого застигання ливарного матеріалу. При цьому відповідні винаходові кокілі можуть бути дешево виготовлені відомими методами і мають зносостійкість, що значно перевищує зносостійкість відомих латунних кокілів. Завдяки своїм магнітним властивостям, вони краще придатні для автоматичної обробки, тому порівняно з відомими латунними кокілями вони мають значно кращу застосовуваність у виливках із легких металів. При цьому для практики особливе значення має те, що при застосуванні відповідних винаходові кокілів досягається настільки висока якість поверхні виливків, що необхідна згідно з рівнем техніки операція обмазування кокілів перед процесом лиття більше не потрібна. Згідно з винаходом як легувальні елементи до ливарного чавуну можуть бути додані як лише нікель або лише марганець, так і обидва ці елементи. При цьому вирішальним є те, щоб коефіцієнт теплового розширення холодного кокілю був узгоджений з коефіцієнтом теплового розширення ливарного матеріалу. Відповідні винаходові холодні кокілі особливо придатні для застосування при литті алюмінієвих сплавів, оскільки коефіцієнт теплового розширення матеріалу холодного кокілю особливо добре може бути узгоджений з коефіцієнтом теплового розширення алюмінієвих сплавів. Одначе холодні кокілі можуть бути застосовані також і при литті інших сплавів легких металів, наприклад, магнієвих сплавів. Відповідні винаходові холодні кокілі особливо придатні для застосування у піскових формах для лиття блоків циліндрів із ливарного матеріалу на 87349 6 основі легкого металу. При цьому виконані згідно з винаходом холодні кокілі можуть служити зокрема для формування порожнин циліндрів відлитих блоків циліндрів двигунів внутрішнього згоряння. Сказане дійсне незалежно від того, служать ці порожнини самі як робочі поверхні циліндрів, чи передбачені додаткові гільзи циліндрів. Якщо внутрішні стінки порожнин самі утворюють робочі поверхні циліндрів, то після застигання виливка для підвищення зносостійкості вони можуть бути відомим чином покриті матеріалом, наприклад, нікелем або кремнієм. Одначе можна також як ливарний матеріал використовувати сам собою відомий сплав, осаджений із заевтектичного кремнію, причому відповідні винаходові холодні кокілі надійно забезпечують, що відбувається бажане осадження кремнію у зоні робочих поверхонь циліндрів завдяки ініційованому холодними кокілями прискореному застиганню. Самозрозуміло, що при цьому можна також після застигання виливка здійснити обробку робочих поверхонь для оголення осадженого кремнію також відомим методом. У вигідній формі виконання ливарний чавун може містити від 0.1 до 13,0мас.% нікелю. При такому вмісті нікелю особливо просто може бути реалізоване узгодження коефіцієнтів теплового розширення. Більший вміст нікелю зумовлює збільшене розширення чавуну при нагріванні, тоді як при меншому вмісті нікелю, який у разі потреби комбінують з також невеликим вмістом марганцю, досягаються менші значення коефіцієнта теплового розширення. Особливо добре узгодження значень коефіцієнта теплового розширення відповідних винаходові холодних кокілів з поведінкою теплового розширення розплавів на основі алюмінію досягається при вмісті нікелю понад 6,00мас.%, зокрема принаймні 6,5мас.% Верхня межа діапазону значень вмісту нікелю, при яких особливо надійно проявляються використані винаходом ефекти, становить максимум 8,00мас.%, переважно менше, ніж 8,00мас.%. Альтернативно або додатково ливарний чавун для узгодження коефіцієнтів теплового розширення може містити також марганець у кількості від 0,1 до 19мас.%. Більші значення вмісту марганцю ведуть до зміщення коефіцієнтів теплового розширення у бік більших значень, тоді як менший вміст марганцю при одночасно низькому чи відсутньому вмісті нікелю зумовлює менше розширення ливарного чавуну при нагріванні. Для забезпечення оптимального узгодження з поведінкою розширення алюмінієвих розплавів переважні значення вмісту марганцю перебувають у діапазоні від 4 до 12 мас.%. Крім того, для досягнення оптимальних параметрів стосовно зносостійкості ливарного чавуну він поряд із залізом і неуникними забрудненнями може містити такі елементи (у мас.%): С: 1,5-4,0 Si: 0,5-4,0 Сu: 0,3-7,0 Cr:

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Permanent mould for casting light metal casting materials, use of this permanent mould and use of casting iron

Автори англійською

Truemper Juergen, Smetan Herbert

Назва патенту російською

Холодный кокиль для литья литейных материалов из легких металлов, использование этого кокиля и использование литейного чугуна

Автори російською

Трюмпер Юрген, Сметан Херберт

МПК / Мітки

МПК: B22D 15/00, B22C 9/06, B22D 21/00, C22C 37/00

Мітки: застосування, лиття, металів, холодний, легких, матеріалів, чавуну, ливарних, цього, кокіль, кокілю, ливарного

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/4-87349-kholodnijj-kokil-dlya-littya-livarnikh-materialiv-iz-legkikh-metaliv-zastosuvannya-cogo-kokilyu-ta-zastosuvannya-livarnogo-chavunu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Холодний кокіль для лиття ливарних матеріалів із легких металів, застосування цього кокілю та застосування ливарного чавуну</a>

Подібні патенти