Охлаждающая составная часть литейной формы для заливки литейного материала и применение охлаждающей составной части литейной формы - RU2422243C2

Описание

Изобретение относится к охлаждающей составной части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов. Также изобретение относится к применению охлаждающей составной части литейной формы.

Известно о размещении охлаждающих кокилей в литейных формах, в частности в песчаных литейных формах для того, чтобы залитый в литейную форму литейный материал, в частности литейный материал из легкого металла, как то материал из алюминия или магния, в зоне контакта между литейным материалом и охлаждающим кокилем целенаправленно охлаждать сильнее, чем это возможно в песчаной форме (Stefan Hasse, Ernst Brunhuber: «Giesserei Lexikon» (Энциклопедия литейного производства), стр.735, 18-е издание, 2001). Таким образом, достигается направленное отверждение литейного материала посредством вступающих в контакт с охлаждающим кокилем зон литейного материала. Кроме того, посредством полученного за счет применения охлаждающих кокилей ускоренного охлаждения можно создавать улучшенную, касательно своих механических свойств, в частности, более плотную структуру отвержденной отливки в охлажденной посредством охлаждающего кокиля зоне.

Охлаждающие кокили соответственно этому помещаются обычно в такие участки литейной формы, которые отображают зоны предназначенной для изготовления отливки, к свойствам структуры которых предъявляются особо высокие требования. Это относится, в частности, к изготовлению методом отливки блоков цилиндров или головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания из сплава легких металлов.

Типичным примером для зоны литейной формы, в которую помещаются охлаждающие кокили для локального улучшения структуры, являются полости цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Рабочие поверхности полостей цилиндров находятся в процессе эксплуатации под воздействием больших нагрузок, так что, в частности, к их изнашиваемости, их вязкости или их прочности предъявляются высокие требования.

Обычные охлаждающие кокили изготавливаются из литейного чугунного материала. Их можно изготовить методом отливки просто и с небольшими затратами. На практике охлаждающие кокили из литейного чугуна обнаруживают себя, однако, как проблематичные, в частности, при заливке литейных материалов из легких металлов, таких как расплавы алюминия или магния, из-за малых в сравнении с литейными материалами из легких металлов коэффициентами теплового расширения литейного чугуна. При литье вступающий в контакт с расплавом легкого металла охлаждающий кокиль нагревается и расширяется при этом соразмерно своему коэффициенту теплового расширения. Когда при последующем процессе отверждения температура понижается, кокиль снова уменьшается до своего первоначального объема.

Если расплав и кокили имеют различные коэффициенты теплового расширения, то могут возникнуть напряжения или даже относительные перемещения в зонах контакта между охлаждающими кокилями и отвержденным литейным материалом, что является причиной дефектов на готовой отливке. В частности, могут появиться пористости и другие сопоставимые дефекты поверхности. Такого рода дефекты проявляют себя как проблематичные, в частности, там, где имеют место особенно высокие нагрузки при эксплуатации соответствующей отливки.

К этому можно добавить, что существующие между охлаждающим кокилем и отливкой напряжения могут быть настолько сильны, чтобы охлаждающий кокиль можно отделить от отвержденной отливки лишь со сравнительно большим усилием, что, в частности, при автоматизированном изготовлении отливок из легких металлов имеет негативный характер.

Была предпринята попытка решить появившуюся с использованием стержней из серого литейного чугуна проблему посредством вставки кокилей, сформированных из латуни. Так из DE 19533529 А1 известно о возможности формирования пустотелых полостей цилиндров двигателей внутреннего сгорания посредством помещенных в предусмотренную для заливки расплава алюминия песчаную литейную форму латунных кокилей. Состав латуни этих известных кокилей при этом предпочтительно согласован таким образом, что они имеют коэффициенты теплового расширения, по меньшей мере, 20×10^-6 К^-1, которые согласованы с расплавом Al. Тем, что коэффициент теплового расширения кокилей согласован с коэффициентом теплового расширения предназначенного для заливки алюминия, гарантируется то, что кокиль и залитый литейный материал, в основном, одинаково расширяются или сжимаются. Напряжения между отливкой и охлаждающим кокилем можно, таким образом, снизить до минимума.

Недостатками известных латунных кокилей являются их высокая стоимость и их неблагоприятное поведение при износе. Использование также дорогостояще, так как латунные кокили, к примеру, не могут удерживаться магнитами. Это осложняет, именно при автоматизированном изготовлении, предоставление в распоряжение литейных форм, которые оснащены латунными кокилями. Чтобы избежать прилипания литейного материала на кокиле и достичь оптимального качества поверхности, исходя из этого, на практике, как правило, необходимо снабдить поверхность кокиля обмазкой. И этот рабочий ход ведет к усложнению способа изготовления, которое влечет за собой неизбежные дополнительные расходы.

Исходя из прокомментированного ранее уровня техники, задача изобретения состояла в том, чтобы создать изготавливаемую с небольшими затратами охлаждающую составную часть литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов, которая обладает оптимизированными свойствами применения и одновременно содействует оптимизированным результатам процесса отливки.

Сверх этого должна была быть указана предпочтительная возможность применения для такой охлаждающей составной части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов.

Наконец задача, которую нужно было решить посредством изобретения, состояла в том, чтобы выявить новую возможность применения для известного, в сущности, литейного чугунного материала.

В отношении возможности применения для такой охлаждающей составной части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов эта задача решалась посредством того, что она изготовлена из легированного Ni и/или Mn литейного чугунного материала, содержание Ni и/или Mn в которых соразмерено таким образом, что коэффициент теплового расширения кокиля согласуется с коэффициентами теплового расширения соответствующего, предназначенного для разливки литейного материала из легких металлов.

Охлаждающую составную часть литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов, изготовленную в соответствии с изобретением, можно предпочтительно использовать в качестве составной части песчаной литейной формы для отливки блока цилиндров из литейного материала, состоящего из легких металлов.

Изобретение использует возможность легировать литейный чугун таким образом, чтобы его коэффициент теплового расширения соответствовал коэффициенту теплового расширения соответствующего, предназначенного для разливки расплава легких металлов. Легированный соответствующим образом литейный чугун, в сущности, уже известен. Так в документе DE 2719456 А1 уже описан литейный чугунный материал, который имеет коэффициент теплового расширения в пределах от 16,0×10^-6 до 21,0×10^-6К^-1 при температурах в пределах от 20°С до 100°С. Это соответствует, к примеру, коэффициенту теплового расширения типичных алюминиевых литых сплавов в соответствующем температурном интервале. До настоящего времени такого рода литейные чугунные материалы использовались, правда, лишь для тех конструктивных элементов, которые заливались в элементы из легких металлов или подвергались насаживанию в горячем состоянии, соответственно запрессовывались с ними. Так типичный пример применения известного из DE 2719456 А1 сплава состоит в изготовлении кольцевых пазов, которые используются в качестве уплотняющих элементов в поршнях из легких металлов для двигателей внутреннего сгорания.

Для достаточно точного, в целях изобретения, согласования коэффициентов теплового расширения чугунного литейного материала и литейного материала из легких металлов отклонение коэффициента теплового расширения соответственно использованного для охлаждающей составной части литейной формы литейного чугунного материала от коэффициента теплового расширения соответствующего литейного материала из легких металлов предпочтительно ограничивается диапазоном максимум ±0,4×10^-6/К.

Неожиданно обнаружило себя то обстоятельство, что по примеру известного материала легированные марганцем и/или никелем литейные чугунные материалы относительно их поведения при тепловом расширении могут быть настроены таким образом, что изготовленные из них охлаждающие составные части литейной формы обладают, касательно желаемых результатов литья, оптимальным поведением в литейной форме, в частности в песчаной литейной форме. Это было невозможно предвидеть, потому что в уровне техники соответственно в отношении ожидаемой, смотря по обстоятельствам, функциональности важные механические и структурные свойства известного литейного чугунного материала стояли на переднем плане. В основе изобретения, напротив, лежит вывод о том, что такие литейные чугунные сплавы ввиду основывающегося на механических и структурных свойствах поведения при тепловом расширении являются особо подходящими для того, чтобы использовать их в качестве материала для изготовления охлаждающих составных частей литейной формы.

Применение в соответствии с изобретением легированного с применением отдельно Mn и Ni или с применением подходящей комбинации этих элементов литейного чугунного материала для изготовления охлаждающей составной части литейной формы может минимизировать возникающие, кроме того, у охлаждающей составной части литейной формы при разливке расплавов из легких металлов напряжения в контактных зонах между охлаждающей составной частью литейной формы и отвержденным литейным материалом. Посредством согласования коэффициента теплового расширения охлаждающей составной части литейной формы с коэффициентом теплового расширения литейного материала из легких металлов возникающие в ходе отверждения литейного материала между составной частью литейной формы и литейным материалом напряжения снижаются до минимума. В то же время с помощью охлаждающих составных частей литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов надежнее достигаются известные, в сущности, из уровня техники предпочтительные результаты относительно направленно отвержденной структуры. При этом составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов в соответствии с изобретением могут быть изготовлены, в сущности, известным способом с небольшими затратами и обладают намного превосходящей известные латунные кокили износостойкостью.

В силу их магнитных свойств ими можно легче управлять при автоматизированной обработке, так что они по сравнению с известными кокилями в сфере литья легких металлов обладают явно улучшенной практической полезностью. Для практики особое значение при этом имеет то, что достигнутое при использовании составных частей литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов в соответствии с изобретением качество поверхности отливки настолько хорошо, что необходимая в уровне техники дорогостоящая обмазка кокилей перед процессом литья теперь не является необходимой.

В соответствии с изобретением возможно не только подавать к литейному чугунному материалу только никель или только марганец, но также и предусмотреть оба указанных элемента в качестве составляющих элементов сплава. Решающим является то обстоятельство, что коэффициент теплового расширения охлаждающей составной части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов согласован с коэффициентами теплового расширения литейного материала.

Охлаждающие составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов в соответствии с изобретением особенно подходят для использования при литье сплавов из алюминия, так как коэффициент теплового расширения материала кокиля может особенно хорошо согласоваться с коэффициентом теплового расширения сплавов алюминия. Охлаждающие составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов могут использоваться, однако, и при литье других сплавов легких металлов, как, например, сплавав магния.

Предпочтительно составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов охлаждающие в соответствии с изобретением подходят для использования в песчаных литейных формах для отливки блоков цилиндров из литейного материала, состоящего из легких металлов. При этом изготовленные в соответствии с изобретением охлаждающие составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов могут служить, в частности, для того, чтобы образовывать полые пространства цилиндров отлитого блока цилиндров для двигателей внутреннего сгорания. Это имеет силу независимо от того, служат ли полые пространства сами в качестве рабочих поверхностей цилиндров или же предусмотрены дополнительные гильзы цилиндров.

Если внутренние стенки полостей сами образуют рабочие поверхности цилиндров, то внутренние стенки полостей после отверждения отливки для повышения их износостойкости могут, в сущности, известным способом покрываться материалом, к примеру никелем или кремнием. Однако возможно также использовать в качестве литейного материала, в сущности, известный, осаждаемый из заэвтектического кремния сплав, причем охлаждающие кокили в соответствии с изобретением надежно гарантируют, что произойдет желаемое осаждение Si в зоне рабочих поверхностей цилиндров ввиду контролируемо проведенного посредством охлаждающих кокилей ускоренного отверждения. Само собой разумеется, что при этом возможно после отверждения отливки производить обработку рабочих поверхностей для свободного высвобождения выделенного кремния, в сущности, также известным способом.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления литейный чугунный материал может содержать долю никеля от 0,1 до 13,0% по массе. Посредством такой доли никеля согласование коэффициентов теплового расширения можно производить особенно легко. Более высокое содержание Ni вызывает повышенное расширение литейного чугуна при нагревании, в то время как при более низких содержаниях Ni, которые, насколько имеет место быть, комбинируются с также низкими содержаниями Mn, устанавливаются меньшие коэффициенты теплового расширения. Особенно хорошо согласованные с характеристикой теплового расширения основанных на алюминии сплавов коэффициенты теплового расширения охлаждающих кокилей в соответствии с изобретением выявляются тогда, когда содержание Ni составляет более 6,00% по массе, в частности, по меньшей мере, 6,5% по массе. Будучи ограниченной по верхней границе, зона для содержаний никеля, при которых используемые в изобретении эффекты становятся особенно явными, может устанавливаться посредством того, что верхняя граница этой зоны составляет максимум 8,00% по массе, предпочтительно менее чем 8,00% по массе.

В качестве альтернативы или дополнительно литейный чугунный материал может иметь для согласования коэффициента теплового расширения также долю марганца, находящуюся в пределах от 0,1 до 19,0% по массе. Повышенное содержание Mn приводит к смещению коэффициента теплового расширения в сторону бóльших значений, в то время как низкое содержание Mn при одновременно низком содержании Ni или при его отсутствии являются причиной незначительного расширения литейного чугуна при нагревании. Предпочтительно содержание Mn находится в пределах от 4 до 12% по массе для обеспечения оптимального согласования с характеристикой расширения сплавов из алюминия.

Чтобы и в отношении износостойкости литейных чугунных материалов также достичь оптимальных результатов, литейный чугунный материал может, кроме того, в сущности, известным образом, наряду с железом и неизбежными примесями содержать следующие элементы, % по массе:

Соответственно этому решение вышеозначенной задачи в отношении использования, в сущности, известного из DE 2719456 A1 литейного чугунного материала состоит в том, что этот, содержащий наряду с железом и неизбежными примесями, % по массе: С 1,5-4,0, Si 0,5-4,0, Cu 0,3-7,0, Cr <2,0, Al 0,3-8,0, Ti 0,01-0,5, а также, по меньшей мере, элемент из группы Ni, Mn с указанием, что содержание Ni составляет 0,1-13,0%, а содержание Mn: 0,1-19,0%, материал для изготовления охлаждающей составные части литейной формы используется для разливки литейных материалов из легких металлов.

Изобретение разъясняется далее на основании представленного на чертеже примера осуществления изобретения. Единственный чертеж демонстрирует отлитый блок 1 цилиндров со вставленной охлаждающей составной частью литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов 2, в поперечном разрезе.

На чертеже представлен полностью отвержденный, в сущности, известным образом отлитый в не представленной песчаной литейной форме блок 1 цилиндров многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, в поперечном сечении через одну из полостей цилиндра. После отверждения и охлаждения песчаная литая форма посредством разрушения удалена с блока 1 цилиндров.

Блок 1 цилиндров отлит из традиционного сплава AlSi17Cu4Mg (Si 16,0-18,0; Cu 4,0-5,0; Fe ≤0,7; Mg 0,4-0,7; Mn ≤0,2; Ti ≤0,2; Zn ≤0,2; Σ прочих ≤0,2; остаток Al, данные в % по массе). Этот литейный материал обладает коэффициентом теплового расширения 19,4×10^-6/К.

Охлаждающие составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов 2 изготовлены из стандартизованного, известного под названием «Ni-Resist» (нирезист) литьевого чугунного сплава GGL-NiCr 20-2. Благодаря выбору процентного содержания Mn и Ni охлаждающие составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов обладают коэффициентом теплового расширения, который в пределах от 20°С до 200°С составляет 18,7×10^-6/К. Этот коэффициент теплового расширения настолько близок к коэффициенту расширения 19,4×10^-6/К сплава AlSi17Cu4Mg, из которого отлит блок цилиндров, что охлаждающие составные части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов и при нагревании и охлаждении, в основном, ведут себя также, как и литейный материал из Al. Вследствие этого, во всяком случае, возникают минимальные напряжения между отливкой и соответствующей охлаждающей составной частью литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов, и достигается оптимальный результат при литье.

Реферат

Изобретение может использоваться, в частности, в песчаной литейной форме для отливки блока (1) цилиндров из литейного материала, состоящего из легких металлов. Охлаждающая составная часть литейной формы выполнена из легированного Ni и/или Mn литейного чугуна. Содержание Ni и/или Mn в чугуне выбрано таким образом, чтобы обеспечить соответствие коэффициента теплового расширения составной части (2) коэффициенту теплового расширения соответствующего заливаемого литейного материала из легких металлов. При таком согласовании коэффициентов теплового расширения минимизируются возникающие напряжения в контактных зонах между охлаждаемой составной частью формы и охлажденным литейным материалом. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула