Способ получения литых штампов

.5 сников,И. СеменИ. И. Иш В. Г. Шибаков, ий, В. И. Сивко, инеев и Н. Л. Фот ССР ЛИТЫХ ю за- аправ,1 УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(21) 3531494/02(54)(57) СПОСШТАМПОВ, вклливку сплава в л итехническии инст88.8)ое свидетельство2 Р 27/04, 1947.свидетельство22 Р 27/04, 1974.ОБ ПОЛУЧЕНИЯючающий послойитейную форму и ленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества литых заготовок и снижения себестоимости, первый слой заливают из высоколегированной износостойкой стали толщиной О - 50% объема литейной формы и ведут его охлаждение с помощью жидкого азота, а после затвердевания его 30 - 80% в литейную форму заливают второй слой из сплава с теплопроводностью, большей на 20 - 100%, и температурой начала затвердевания, меньшей на 60 в 100 С, чем у сплава первого слоя, а направленное охлаждение с помоцью жидкого азота прекращают при температуре сплава второго слоя, равной 780 в 8 С.Изобретение относится к литейному производству, а именно к .литью штампов снаправленным затвердеванием.Известен способ литья деталей, включающий охлаждение отдельных частей формы,например, жидким азотом 11.Недостатком этого способа применительно к литью штампов является их высокаястоимость, вызванная применением высоколегированной стали на весь их объем.Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения литых заготовок, преимущественно сплавов, включающий послойную заливку металла в литейную форму и направленное охлаждение состороны нижнего торца заготовки 2,Однако известный способ характеризуется высокой стоимостью и не обеспечиваетвысокое качество штампов из-за сравнительно низкой -теплопроводности высоколегированной инструментальной стали, чтоотрицательно сказывается на стойкостищта мпов.Целью изобретения является повышениекачества литых заготовок и снижение себестоимости,Поставленная цель достигается тем, чтосогласно способу получения литых заготовок, преимущественно штампов, включающему послойную заливку сплава в литейнуюформу и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, первый слойзаливают из высоколегированной износостойкой инструментальной стали толщиной10 - 50 ю/ю объема литейной формы и ведутего охлаждение с помощью жидкого азота,а после затвердевания его 30 - 80/ю в литейную форму заливают второй слой изсплава с теплопроводностью, большей на20 в 00/ю, и температурой начала затвердевания, меньшей на 60 - 100 С, чем у сплава первого слоя, а направленное охлаждение с помощью жидкого азота прекращаютпри темперахуре сплава второго слоя, равной 780 в 8 С.Применение сплава для заливки второгослоя, обладающего теплопроводностью,большей на 20 - 100%, чем у спалава длязаливки первого слоя, обеспечивает ускорение процесса окончательной кристаллизациии, как следствие, увеличивает производительность способа получения литых штампов,а также улучшает условия теплопередачийри самоотпуске, Кроме того, при эксплуатации высокая теплопроводность основанияштампа позволяет улучшить теплоотводот разогретой рабочей поверхности инструмента на массу или холодильник, устанав-.ливаемый в держателе штампа, что существенно снижает градиент температурыи уровень термических напряжений в контактной зоне штампа и вследствие этогообусловливает повышение его работоспособности.5 10 15 го 25 30 35 40 45 50 55 Интервал различия теплопроводности обусловлен тем, что низколегированные углеродистые стали, которые следует применять при заливке второго слоя, имеют теплопроводность выше, чем у высоколегированной стали, на величину указанных значений. В частности, штамповые высоколегированные стали типа 45 ХЗВЗ МФСЛ (ДИ), 4 ХЗВ 2 Ф 2 М 2 СЛ имеют коэффициент теплопроводности в 1,7 - 2,0 раза меньше, чем углеродистые малолегированные стали типа 45 ХС, 40 Х, У 8. Меньшая на 60 - 100 С температура начала кристаллизации сплава для второго слоя выбирается из условий обеспечения необходимого переохлаждения незакристаллизовавщегося объема залитого высоко- легированного металла, При этом необходимо, чтобы температура заливаемого для второго слоя сплава была не менее чем на 20 - 40 С ниже, чем температура начала затвердевания первоначального залитого сплава для первого слоя,Применение интенсивного, например с помощью жидкого азота, охлаждения со стороны нижнего торца обеспечивает направленную, снизу-вверх, кристаллизацию заготовки, что позволяет получить мелкодисперсную с благоприятной для износостойкости ориентировкой зерен структуру гравюры штампа. При этом для получения композитной структуры переходного слоя, состоящего из пластической основы мало- легированной стали, армированной кристаллами высоколегированной стали, а также с целью предотвращения образования на поверхности раздела неслитин и окисных пленок за.пивку второго сплава для второго слоя начинают в момент, когда направленно закристаллизовалось только 30 - 80/ю сплава, оформляющего первый слой. Нижнее значение указанного интервала ограничивается необходимостью сохранения условий направленной кристаллизации для легированного расплава, а верхнее - условиями формирования оптимального по величине переходного слоя.Дополнительное переохлаждение 70 - 20 Х оставшегося незакристаллизованным объема высоколегированной стали продолжается при заливке формы малолегированным сплавом, имеющим температуру на 20 - 40 С меньшую, чем температура сплава первого слоя, что ускоряет процесс формирования (за счет резкого возрастания центров кристаллизации) композитного переходного слоя с мелкозернистой структурой. Образования такого переходного слоя в штампе повышает его термоциклическую стойкость и сопротивление хрупкому разрушению.Прекращение интенсивного направленного охлаждения со стороны гравюры штампа в момент, когда температура сплава, идущего для оформления второго слоя, равна1138240 45 50 55 3780 - 800 С, предназначено для самоотпуска слоя из высоколегированного сп;,"ва.На фиг. 1 изображено устройство для реализации, предлагаемого способа, стадия кристаллизации высоколегированного сплава, оформляющего первый слой; на фиг. 2 - то же, стадия заливки второго слоя; на фиг, 3 - схема строения слоев заготовки.Устройство для реализации способа (фиг. 1) содержит кристаллизатор 1 с испарительной камерой 2 для жидкого азота, боковую полуформу 3, верхнюю полуформу 4 с выполненными в ней литником 5 и прибылью 6.Способ реализуют следующим образом.Жидкий расплав высоколегированного сплава через канал 5 заливают в полость 7 формы и одновременно подают жидкий азот в испарительную камеру 2. Интенсивное охлаждение через испарительную камеру 2 обеспечивает в полости 7 формы направленную снизу вверх кристаллизацию расплава. Направленную кристаллизацию осуществляют в течение времени, необходимом для затвердевания 30 - 80 / объема залитого высоколегированного сплава. При этом образуется слой направленно закристаллизо; вавшегося расплава 8 (фиг. 1), а часть (20 - 70 О/О) расплава 9 (фиг. 1) остается незакристаллизовавшейся.Затем в полость формы 7 (фиг. 2) производят заливку сплава 10, характеризующегося высокой теплопроводностью и пониженной на 60 - .100 С, чем у сплава залитого для оформления первого слоя, температурой ликвидуса. При этом температуру заливаемого для второго слоя сплава назначают на 20 - 40 С ниже температуры ликвидуса первично залитого сплава, что вследствие дополнительного переохлаждения незакристаллизовавшейся части расплава за счет смешивания двух сплавов создает благоприятные условия для ускорения процесса кристаллизации и формирования мелкозернистого переходного слоя. После завершения кристаллизации металла во всем объеме охлаждение формы жидким азотом прекрашают при температуре тела отливки, равной 780 - ,800 С.Структура отливки штампа, полученного предлагаемым способом состоит из трех характерных зон (фиг. 3). Зона 11 рабочей поверхности штампа представлена износостойким слоем из столбчатых дисперсных кристаллов высоколегированной стали, переходного слоя 12 с композитной структурой, основу которой формирует высокотеплопроводный пластичный металл, армированный кристаллами высоколегированной стали. Структура слоя имеет плавный переход как по химическому составу так и по размеру зерен от поверхностнолегированного слоя к основанию шта м па. 4Последняя зона 13, относящаяся к телуштампа, практически не отличается по химическому составу от.заливаемого сплавадля второго слоя.Пример. В качестве опытных штампов,изготовляемых по предлагаемому способу,выбраны ковочные штампы для процессаАвтофордж. Размеры штампа: ширина150 мм, длина 180 и внгсота 80 мм.При опробовании способа для гравюры10 штампа выбирают высоколегированнуюсталь 4 ХЗВ 2 Ф 2 М 2 СЛ, а для изготовлениятела штампа - высокотеплопроводнуюсталь 9 ХС.Элементы формы 1, 3, 4 (фиг. 1)изготавливаются из цирконового концентрата КЦЭ - 1, ОСТ 48 - 82 - 74 с добавкойфенолформальдегидной смолы СФП - 01 Л,ГОСТ 6 - 05 - 441 - 78 в количестве 2,5 - Зо/опо массе. Указанные элементы формы изготавливаются по металлическим моделям.20 При этом металлические модели предварительно подогреваются до 250 С и покрываются из пульверизатора термостойкимкаучуком СКГ - 3, ВТЛУ 5 - 57. Полимеризация формовочной смеси осуществляетсяпри нагреве модели до 400 С в течение25 мин. Испаритель азота изготовляется изжаростойкого чугуна. Плавка сталей производится в индивидуальной печи. Заливкастали 4 ХЗВ 2 Ф 2 М 2 СЛ осуществляется при1560 С (температура ликвидуса 1507 С,в заливка стали 9 ХС - при 1480 С (температура ликвидуса 1432 С).При направленной кристаллизации в зависимости от химического состава сталидисперсная структура может образоватьсялишь при определенных значениях соотно 35 щения б/К, где б - градиент температуру фронта кристаллизации; К - скоростькристаллизации. Экспериментально установлено, что дисперсия структуры с размерами ячеек 1,2 - 3,0 мкм для стали 4 ХЗВ 2/402 М 2 СЛ достигается при бЯ 80 м и и/м мпри скорости роста кристаллов, К2,73 мм/мин. При этом обеспечиваетсяградиент температуры в расплаве СФ 218,4 С/м м,Продолжительность затвердевания стали 4 ХЗВ 2 Ф 2 М 2 СЛ устанавливается экспериментально и составляет 1,2 мин. Окончательное затвердевание (второй этап) завершается по истечении 30 мин. Затем форма охлаждается до температуры тела штампа 780 - 800 С, а отливка без охлаждения азотом выдерживается в форме в течение 60 мин для протекания самоотпуска гравюры штампа при 620 - 660 С. Интервал температуры при самоотйуске выбирается из условий обеспечения оптимальной твердости штампа, НКС = 48 - 50.Использование предлагаемого способа в народном хозяйстве позволяет повысить1138240 ЖоаоРЯОЛ 7Фиг. 2 Составитель В. Завьялов Редактор О. Черниченко Техред И, Верес Корректор Г, Решетник Заказ 10597, 0 Тираж 747 Подяисное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретенийи открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4качество, а соответственно и работоспособность литых штампов за счет формирования на рабочих поверхностях малодисперсного высоколегированного слоя, характеризующегося высокой износостойкостью, мелкозернистого вязкого переходного слоя и основания из сплава более теплопроводного, экономить дефицитные высоколегированные стали, тек как 70 - 50% объема штампа выполнено из более теплопроводной, низко- легированной стали, что также снижает себестоимость штампа и кроме того, повысить производительность вследствие сокращения времени кристаллизации путем заливки сплава второго слоя с меньшей температурой кристаллизации.