RU2848705C1

RU2848705C1 - Способ получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты

Info

Publication number: RU2848705C1
Application number: RU2025109316A
Authority: RU
Inventors: Валерий Викторович Предеин; Сергей Геннадьевич Жилин; Нина Анатольевна Богданова
Filing date: 2025-04-15
Publication date: 2025-10-21

Abstract

Изобретение относится к области литейного производства. Способ получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты включает изготовление литейной формы (1), заполнение ее полости (2) термитной шихтой и воспламенение термитной шихты (4, 5) с образованием в литейной форме железосодержащего расплава. Термитную шихту размещают в горизонтальной формообразующей полости литейной формы последовательно по ее длине дозами, различными по химическому составу. В процессе заполнения полости формы в качестве разделителя различных по составу термитных шихт может быть использована перегородка (3), которую извлекают по завершении заполнения указанной полости. Обеспечивается получение из термитной шихты железосодержащей функционально-градиентной отливки с участками, отличающимися друг от друга физико-механическими свойствами, химическим составом и структурой, а также плавной переходной зоной между такими участками. 2 ил.

Description

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам получения из термитной шихты железосодержащей функционально-градиентной отливки, и может быть использовано в машиностроительной отрасли.

Известен способ получения стальных отливок, осуществляемый по патенту РФ № 2367540, согласно которому изготавливают литейную форму с элементами литниково-питающей системы, полость литейной формы заполняют термитной смесью, воспламеняют ее верхнюю часть газопламенной горелкой для проведения экзотермической реакции с образованием в литейной форме стального расплава и его последующим затвердеванием. Такой способ позволяет получать стальные отливки из отходов металлургического производства. Однако реализация такого способа, ввиду использования термитной смеси однородной по химическому составу, не позволяет получать функционально-градиентные отливки, характеризующиеся участками, отличающимися друг от друга по химическому составу, структуре и свойствам, а также плавной переходной зоной между такими участками.

Задачей изобретения является получение из термитной шихты железосодержащих функционально-градиентных отливок, предназначенных для формирования изделий, участки которых могут эксплуатироваться в различных средах, условиях нагружения или температурах.

Достигаемый при этом технический результат заключается в получении из термитной шихты железосодержащей функционально-градиентной отливки с участками, отличающимися друг от друга физико-механическими свойствами, химическим составом и структурой, а также плавной переходной зоной между такими участками.

Указанная задача решается благодаря тому, что в способе получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты, включающем изготовление литейной формы, заполнение ее полости термитной шихтой, воспламенение термитной шихты с образованием в литейной форме железосодержащего расплава, предусмотрены следующие отличия: термитную шихту дозами, различными по химическому составу, последовательно размещают в горизонтальной формообразующей полости литейной формы по её длине.

Вся совокупность признаков способа обеспечивает получение из термитной шихты железосодержащей функционально-градиентной отливки с участками, отличающимися друг от друга физико-механическими свойствами, химическим составом и структурой, а также плавной переходной зоной между такими участками.

Благодаря тому, что термитную шихту в литейную форму помещают дозами, различными между собой по химическому составу, реализуется возможность формирования участков отливки из сплавов, различающихся друг от друга по физико-механическим свойствам, химическим составам и структурам, а также плавной переходной зоной между такими участками.

Выполнение горизонтально-ориентированной протяженной формообразующей полости в литейной форме, а также последовательное размещение доз термитной шихты, отличающихся между собой по химическому составу, обеспечивает создание условий, при которых образующиеся в результате расплавы железосодержащих сплавов, принадлежащих разным участкам отливки, не перемешиваются по всему объему, а между участками возникают плавные переходные градиентные зоны, характеризующиеся свойствами, принадлежащими контактирующим участкам.

Принцип действия способа получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты поясняется чертежом. На фиг.1 представлен разрез литейной формы 1 с открытым верхом, предназначенной для получения железосодержащей функционально-градиентной отливки, состоящей из двух участков, в которой выполнена горизонтально-ориентированная протяженная формообразующая полость 2. Внутри горизонтально-ориентированной протяженной формообразующей полости 2 размещена перегородка 3, выполняющая роль разделителя разных по химическому составу термитных шихт 4 и 5. На фиг.2 представлено схематичное пояснение конечной стадии процесса получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты, где отмечены участки 6 и 7, помеченные, например, как Ст3 и Fe-Al сплав соответственно. Между участками 6 и 7 образуется плавная переходная градиентная зона 8 железосодержащей функционально-градиентной отливки.

Способ получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты осуществляют следующим образом. Внутрь горизонтально-ориентированной протяженной формообразующей полости 2 литейной формы 1, выполненной, например, из графитированного электрода марки ЭГ15, устанавливают перегородку 3, выполненную в виде пластины, например, из материала Ст3. В образующиеся участки формообразующей полости 2 помещают дозы различных по химическому составу термитных шихт 4 и 5.

Для получения железосодержащей функционально-градиентной отливки, состоящей, например, из двух участков, с химическими составами, соответствующими низкоуглеродистой стали (позиция 6 фиг.2) и железоалюминиевому сплаву (позиция 7 фиг.2), подготавливают термитные шихты, представленные на фиг.1 позициями 4 и 5.

Термитную шихту 4, предназначенную для получения участка отливки из низкоуглеродистой стали, подготавливают, например, согласно патенту РФ 2637735, в котором указано, что если термитная шихта содержит 17-21 мас.% активного алюминия, то в результате экзотермической реакции образуется низкоуглеродистая сталь. Содержание активного алюминия в термитной шихте 4, составляет, например, 21,55 мас.%. Для получения термитной шихты, содержащей 21,55 мас.% активного алюминия, можно взять крупку алюминиевого сплава В95 в количестве 25 мас.%. Поскольку сплав В95 содержит 86,2 мас.% алюминия, то количество активного алюминия можно определить по формуле 25⋅0,862=21,55. Остальное: железная окалина, примеси и модификаторы.

Термитную шихту 5, предназначенную для получения участка отливки из железоалюминиевого сплава, подготавливают, например, согласно источнику [Жилин С.Г., Предеин В.В., Худякова В.А., Богданова Н.А. Влияние нагрева термитной шихты на структуру и свойства слитка интерметаллидного сплава на основе Fe-Al, получаемого экзотермическим переплавом // Металлург. 2024. № 11. С. 94-101.], в котором утверждается, что если содержание активного алюминия в термитных шихтах принадлежит диапазону значений 25 - 65 мас.%, то при экзотермическом переплаве образуются железоалюминиевые расплавы. Содержание активного алюминия в термитной шихте 5 составляет, например 40 мас.%.

По завершении заполнения дозами термитных шихт 4 и 5 горизонтально-ориентированной протяженной формообразующей полости 2 литейной формы 1, извлекают перегородку 3, на поверхности термитных шихт 4 и 5 насыпают воспламенительный состав (например, смесь, состоящую из 23 мас.% алюминиевой пудры марки ПАП2 и 77 мас.% железной окалины фракций до 0,2 мм) в количестве, например 5 грамм, который воспламеняют, например, при помощи искрового устройства.

Экзотермическая реакция последовательно продвигается по всему объему термитных шихт 4 и 5 в направлении сверху-вниз и проходит по основным реакциям:

3FeO+2Al=Al₂O₃+3Fe,

Fe₂O₃+2А1=Al₂O₃+2Fe.

В горизонтально-ориентированной протяженной формообразующей полости 2 литейной формы 1 формируются расплавы железосодержащих сплавов, а именно низкоуглеродистой стали Ст3 и железоалюминиевого Fe-Al сплава, обозначенных на фиг.2 позициями 6 и 7 с образованием между ними плавной градиентной переходной зоны 8, которые затвердевают в течение около 5 минут. На поверхности полученной железосодержащей функционально-градиентной отливки образуется шлак. После затвердевания из литейной формы 1 извлекают железосодержащую функционально-градиентную отливку с участками, выполненными, например, в данном случае, из конструкционной низкоуглеродистой стали марки Ст3 и железоалюминиевого Fe-Al сплава с плавной градиентной переходной зоной между ними.

Claims

Способ получения железосодержащей функционально-градиентной отливки из термитной шихты, включающий изготовление литейной формы, заполнение ее полости термитной шихтой, воспламенение термитной шихты с образованием в литейной форме железосодержащего расплава, отличающийся тем, что термитную шихту дозами, различными по химическому составу, последовательно размещают в горизонтальной формообразующей полости литейной формы по ее длине.