SU1138240A1 - Method of manufacturing cast dies - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ШТАМПОВ, включающий послойную заливку сплава в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества литых заготовок и снижени  себестоимости, первый слой заливают из высоколегированной износостойкой стали толщиной 10-50% объема литейной формы и ведут его охлаждение с помощью жидкого азота, а после затвердевани  его 30-80°/о в литейную форму заливают второй слой из сплава с теплопроводностью , больщей на 20-100%, и температурой начала затвердевани , меньшей на 60-100°С, чем у сплава первого сло , а направленное охлаждение с помощью жидкого азота прекраш.ают при температуре сплава второго сло , равной 780-800°С. (Я оо СХ) ю 4 I Жидкий азот Фиг.1A METHOD FOR PREPARING CAST STAMPS, including a layer-by-layer casting of an alloy into a casting mold and directional cooling from the bottom end of the workpiece, characterized in that, in order to improve the quality of cast billets and reduce cost, the first layer is cast from 10 to 50% thick alloy-resistant wear steel cooling and cooling with liquid nitrogen, and after solidifying it at 30-80 ° / o, a second layer of an alloy with a heat conductivity greater than 20-100% is poured into the casting mold Devaney, on at 60-100 ° C than in the alloy of the first layer, and directional cooling by liquid nitrogen at a temperature prekrash.ayut alloy second layer equal to 780-800 ° C. (I oo SH) th 4 I Liquid nitrogen Figure 1

Description

Изобретение относитс  к литейному производству , а именно к .литью штампов с направленным затвердеванием.The invention relates to foundry, namely, to die casting with directional solidification.

Известен способ лить  деталей, включаюпхий охлаждение отдельных частей формы, например, жидким азотом 1.A known method of pouring parts, including cooling of individual parts of the form, for example, liquid nitrogen 1.

Недостатком этого способа применительно к литью штампов  вл етс  их высока  стоимость, вызванна  применением высоколегированной стали на весь их объем.The disadvantage of this method with respect to die casting is their high cost, caused by the use of high-alloy steel for their entire volume.

Наиболее близким к изобретению по технической суш.ности и достигаемому результату  вл етс  способ получени  литых заготовок , преимущественно сплавов, включающий послойную заливку металла в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки 2.The closest to the invention on technical sush.nosti and the achieved result is a method for producing cast billets, mainly alloys, including layering the metal in a mold and directional cooling from the bottom end of the billet 2.

Однако известный способ характеризуетс  высокой стоимостью и не обеспечивает высокое качество штампов из-за сравнительно низкой -теплопроводности высоколегированной инструментальной стали, что отрицательно сказываетс  на стойкости штампов.However, the known method is characterized by high cost and does not ensure high quality of the dies due to the relatively low thermal conductivity of high-alloyed tool steel, which adversely affects the durability of the dies.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества литых заготовок и снижение себестоимости .The aim of the invention is to improve the quality of castings and reduce costs.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу получени  литых заготовок , преимущественно штампов, включающему послойную заливку сплава в литейную форму и направленное охлаждение со стороны нижнего торца заготовки, первый слой заливают из высоколегированной износостойкой инструментальной стали толщиной 10-50% объема литейной формы и ведут его охлаждение с помощью жидкого азота, а после затвердевани  его 30-80% в литейную форму заливают второй слой из сплава с теплопроводностью, большей на 20-100%, и температурой начала затвердевани , меньшей на 60-100°С, чем у сплава первого сло , а направленное охлаждение с помощью жидкого азота прекращают при температуре сплава второго сло , равной 780-800°С.The goal is achieved by the fact that according to the method of producing castings, mainly dies, which include layer-by-layer casting of the alloy into the mold and directional cooling from the bottom end of the workpiece, the first layer is cast from high-alloyed wear-resistant tool steel with a thickness of 10-50% of the volume of the mold and lead it cooling with liquid nitrogen, and after hardening with 30-80%, a second layer of alloy with thermal conductivity, greater by 20-100%, is poured into the casting mold, and the temperature starts to harden and less by 60-100 ° C than that of the alloy of the first layer, and directional cooling with liquid nitrogen is stopped at the temperature of the alloy of the second layer equal to 780-800 ° C.

Применение сплава дл  заливки второго сло , обладающего теплопроводностью, большей на 20-100%, чем у спалава дл  заливки первого сло , обеспечивает ускорение процесса окончательной кристаллизации и, как следствие, увеличивает производительность способа получени  литых щтампов, а также улучшает услови  теплопередачи при самоотпуске. Кроме того, при эксплуатации высока  теплопроводность основани  штампа позвол ет улучшить теплоотвод от разогретой рабочей поверхности инструмента на массу или холодильник, устанавливаемый в держателе штампа, что существенно снижает градиент температуры и уровень термических напр жений в контактной зоне штампа и вследствие этого обусловливает повышение его работоспособности .The use of an alloy for pouring a second layer with a thermal conductivity greater than 20-100% than that of a palaval for pouring the first layer accelerates the process of final crystallization and, as a result, increases the productivity of the method for producing molded chips and improves heat transfer conditions during self-draining. In addition, during operation, the high thermal conductivity of the die base improves the heat transfer from the heated working surface of the tool to the mass or cooler installed in the die holder, which significantly reduces the temperature gradient and the level of thermal stresses in the contact zone of the die and, consequently, increases its efficiency.

Интервал различи  теплопроводности обусловлен тем, что низколегированные углеродистые стали, которые следует примен ть при заливке второго сло , имеют теплопроводность выще, чем у высоколегированной стали, на величину указанных значений . В частности, штамповые высоколегированные стали типа 45ХЗВЗ МФСЛ (ДИ-23}, 4ХЗВ2Ф2М2СЛ имеют коэффициент теплопроводности в 1,7-2,0 раза меньше, чем углеродистые малолегированные стали типа 45ХС, 40Х, У8.The interval of difference in thermal conductivity is due to the fact that low-alloyed carbon steels, which should be used when pouring the second layer, have a thermal conductivity higher than that of high-alloy steel, by the magnitude of these values. In particular, die high-alloyed steels of type 45ХЗВЗ МФСЛ (ДИ-23}, 4ХЗВ2Ф2М2СЛ have a coefficient of thermal conductivity 1.7-2.0 times less than low alloyed carbon steels of type 45ХС, 40Х, У8.

Меньша  на 60-100°С температура начала кристаллизации сплава дл  второ , го сло  выбираетс  из условий обеспечени  необходимого переохлаждени  незакрио таллизовавшегос  объема залитого высоколегированного металла. При этом необходимо , чтобы температура заливаемого дл  второго сло  сплава была не менее чем наThe temperature of the onset of crystallization of the alloy for the second layer at 60-100 ° C is chosen from the conditions for providing the necessary supercooling of the uncrossed volume of the high-alloyed metal filled. In this case, it is necessary that the temperature of the alloy poured for the second layer is not less than

0 20-40°С Ниже, чем температура начала затвердевани  первоначального залитого сплава дл  первого сло .0 20-40 ° C Lower than the initial solidification temperature of the initial cast alloy for the first layer.

Применение интенсивного, например с помощью жидкого азота, охлаждени  соThe use of intensive, for example with the help of liquid nitrogen, cooling with

. стороны нижнего торца обеспечивает направленную , снизу-вверх, кристаллизацию заготовки, что позвол ет получить мелкодисперсную с благопри тной дл  износостойкости ориентировкой зерен структуру гравюры штампа. При этом дл  получени . The sides of the bottom end provide a directional, bottom-up crystallization of the preform, which makes it possible to obtain a fine-grained stamp engraving structure with grain orientations that are favorable for wear resistance. At the same time to obtain

0 композитной структуры переходного сло , состо щего из пластической основы малолегированной стали, армированной кристаллами высокс.югированной .стали, а также с целью предотвращени  образовани  на поверхности раздела неслитин и окисных0 of the composite structure of a transition layer consisting of a plastic base of low-alloy steel, reinforced with high alloyed steel crystals, as well as to prevent the formation of nestine and oxide on the interface.

пленок заливку второго сплава дл  второго сло  начинают в момент, когда направленно закристаллизовалось только 30-80% сплава , оформл ющего первый слой. Нижнее значение указанного интервала ограничиQ ваетс  необходимостью сохранени  условий направленной кристаллизации дл  легированного расплава, а верхнее - услови ми формировани  оптимального по величине переходного сло .In the films, the casting of the second alloy for the second layer begins at the moment when only 30-80% of the alloy that forms the first layer crystallizes directionally. The lower value of the specified interval is limited by the need to maintain the conditions of directional solidification for the doped melt, and the upper one by the conditions for the formation of an optimal transition layer.

Дополнительное переохлаждение 70-20%Additional hypothermia 70-20%

5 оставшегос  незакристаллизованным объема высоколегированной стали продолжаетс  при заливке формы малолегированным сплавом, имеющим температуру на 20-40°С меньшую, чем температура сплава первого сли , что ускор ет процесс формировани  (за счет резкого возрастани  центров кристаллизации ) композитного переходного сло  с мелкозернистой структурой. Образовани  такого переходного сло  в штампе повышает его термоциклическую стойкость и сопро5 тивление хрупкому разрушению.The remaining uncrystallized volume of high-alloyed steel continues when the mold is cast with a low-alloyed alloy having a temperature of 20-40 ° C lower than the temperature of the first alloy, which speeds up the process of formation (due to a sharp increase in the centers of crystallization) of the composite transition layer with a fine-grained structure. The formation of such a transition layer in the die increases its thermal cyclic resistance and resistance to brittle fracture.

Прекращение интенсивного направленного охлаждени  со стороны гравюры штампа в момент, когда температура сплава, идущего дл  оформлени  второго сло , равнаThe termination of intensive directional cooling from the side of the stamp engraving at the moment when the temperature of the alloy going to form the second layer is equal to

780-800°С, предназначено дл  самоотпуска сло  из высоколегированного crv.aa.780-800 ° C, designed for self-tempering of a layer of high-alloyed crv.aa.

На фиг. 1 изображено устройство дл  реализации, предлагаемого способа, стади  кристаллизации высоколегированного сплава , оформл ющего первый слой; на фиг. 2 - то же, стади  заливки второго сло ; на фиг. 3 - схема строени  слоев заготовки.FIG. 1 shows a device for the implementation of the proposed method, the stage of crystallization of a high-alloyed alloy that forms the first layer; in fig. 2 - the same, the stage of pouring the second layer; in fig. 3 is a diagram of the structure of the blank layers.

Устройство дл  реализации способа (фиг. 1) содержит кристаллизатор 1 с испарительной камерой 2 дл  жидкого азота, боковую полуформу 3, верхнюю полуформу 4 с выполненными в ней литником 5 и прибылью 6.A device for implementing the method (FIG. 1) comprises a mold 1 with an evaporation chamber 2 for liquid nitrogen, a side mold half 3, an upper mold half 4 with sprues 5 made in it and a profit 6.

Способ реализуют следующим образом .The method is implemented as follows.

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 осуществл ют в течение времени, необходимом дл  затвердевани  30-80% объема залитого высоколегированного сплава. При этом образуетс  слой направленно закристаллизовавшегос  расплава 8 (фиг. 1), а часть (20-70%) расплава 9 (фиг. 1) остаетс  незакристаллизовавщейс .The liquid melt of the high-alloyed alloy is poured through the channel 5 into the cavity 7 of the mold and at the same time serves liquid nitrogen to the evaporation chamber 2. Intensive cooling through the evaporation chamber 2 provides in the mold cavity 7 from the bottom-up crystallization of the melt. Directional crystallization is carried out for the time required to solidify 30-80% of the volume of the cast high alloy alloy. In this case, a layer of directionally crystallized melt 8 (Fig. 1) is formed, and part (20-70%) of the melt 9 (Fig. 1) remains uncrystallized.

Затем в полость формы 7 (фиг. 2) производ т заливку сплава 10, характеризующегос  высокой теплопроводностью и пониженной на 60-.100°С, чем у сплава залитого дл  оформлени  первого сло , температурой ликвидуса. При этом температуру заливаемого дл  второго сло  сплава назначают на 20-40°С ниже температуры ликвидуса первично залитого сплава, что вследствие дополнительного переохлаждени  незакристаллизовавшейс  части расплава за счет смешивани  двух сплавов создает благопри тные услови  дл  ускорени  процесса кристаллизации и формировани  мелкозернистого переходного сло . После заверщени  кристаллизации металла во всем объеме охлаждение формы жидким азотом прекращают при температуре тела отливки, равной 780 800°С.Then, in the cavity of the mold 7 (Fig. 2), alloy 10, characterized by a high thermal conductivity and lower by 60 ° –100 ° C than the alloy cast for the first layer, is filled with liquidus temperature. In this case, the temperature of the alloy cast for the second layer is assigned to 20-40 ° C below the liquidus temperature of the initially cast alloy, which, due to the additional overcooling of the non-crystallized part of the melt by mixing two alloys, creates favorable conditions for accelerating the crystallization process and forming a fine-grained transition layer. After the completion of crystallization of the metal in the whole volume, cooling the form with liquid nitrogen is stopped at a casting body temperature of 780,800 ° C.

Структура отливки штампа, полученного предлагаемым способом состоит из трех характерных зон (фиг. 3). Зона 11 рабочей поверхности шт:ампа представлена износостойким слоем из столбчатых дисперсных кристаллов высоколегированной стали, переходного сло  12 с композитной структурой, основу которой формирует высокотеплопроводный пластичный металл, армированный кристаллами высоколегированной стали. Структура сло  имеет плавный переход как по химическому составу так и по размеру зерен от поверхностнолегированного сло  к основанию штампа.The structure of the casting stamp obtained by the proposed method consists of three characteristic zones (Fig. 3). Zone 11 of the working surface pcs: ampa is represented by a wear-resistant layer of dispersed columnar crystals of high-alloyed steel, transition layer 12 with a composite structure, the basis of which is formed of a highly heat-conducting ductile metal reinforced with high-alloyed steel crystals. The layer structure has a smooth transition both in chemical composition and in grain size from the surface-alloyed layer to the die base.

Последн   зона 13, относ ща с  к телу штампа, практически не отличаетс  по химическому составу от.заливаемого сплава дл  второго сло . чThe last zone 13, related to the die body, is practically no different in chemical composition from the cast alloy for the second layer. h

Пример. В качестве опытных штампов,Example. As experienced stamps,

изготовл емых по предлагаемому способу,manufactured by the proposed method

выбраны ковочные штампы дл  процессаprocess forging dies selected

Автофордж. Размеры штампа: ширинаAutoForge. Stamp sizes: width

150 мм, длина 180 и вьгсота 80 мм.150 mm, length 180 and 80 mm.

При Опробовании способа дл  гравюрыWhen trying out a method for engraving

0 штампа выбирают высоколегированную сталь 4ХЗВ2Ф2М2СЛ, а дл  изготовлени  тела штампа - высокотеплопроводную сталь 9ХС.High-alloyed steel 4ХЗВ2Ф2М2СЛ is chosen for the die, and high-heat-conducting steel 9ХС is used for the manufacture of the die body.

Элементы формы «1, «3, «4 (фиг. 1) изготавливаютс  из цирконового концентрата КЦЭ-1, ОСТ 48-82-74 с добавкой фенолформальдегидной смолы СФП-011Л, ГОСТ 6-05-441-78 в количестве 2, по массе. Указанные элементы формы изготавливаютс  по металлическим модел м.The elements of the form "1," 3, "4 (Fig. 1) are made of zircon concentrate KTSE-1, OST 48-82-74 with the addition of a phenol-formaldehyde resin SFP-011L, GOST 6-05-441-78 in the amount of 2, according to mass. These form elements are manufactured by metal models.

0 При этом металлические модели предварительно подогреваютс  до 250°С и покрываютс  из пульверизатора термостойким каучуком СКГ -3, ВТЛУ 51-57. Полимеризаци  формовочной смеси осуществл етс  при нагреве модели до 400°С. в течение0 At the same time, metal models are preheated to 250 ° C and covered with a spray gun with high-temperature rubber SKG-3, VTLU 51-57. Polymerization of the molding sand is carried out by heating the model to 400 ° C. during

25 мин. Испаритель азота изготовл етс  из жаростойкого чугуна. Плавка сталей производитс  в индивидуальной печи. Заливка стали 4ХЗВ2Ф2М2СЛ осуществл етс  при 1560°С (температура ликвидуса 1507°С, 25 min The nitrogen evaporator is made of heat-resistant cast iron. Melting of steel is carried out in an individual furnace. Steel 4ХЗВ2Ф2М2СЛ is poured at 1560 ° С (liquidus temperature 1507 ° С,

Q а заливка стали 9ХС - при 1480°С (температура ликвидуса 1432°С).Q and cast steel 9HS - at 1480 ° C (liquidus temperature 1432 ° C).

При направленной кристаллизации в зависимости от химического состава стали дисперсна  структура может образоватьс  лишь при определенных значени х соотношени  G/R, где G - градиент температур у фронта кристаллизации; R - скорость кристаллизации. Экспериментально установлено , что дисперси  структуры с размерами  чеек 1,2-3,0 мкм дл  стали 4ХЗВ2/ 2М2СЛ достигаетс  при G/R f 80 мин/мм при скорости роста кристаллов, R 2,73 мм/мин. При этом обеспечиваетс  градиент температуры в расплаве ,4С/мм,In the case of directional crystallization, depending on the chemical composition of the steel, a dispersed structure can form only at certain values of the ratio G / R, where G is the temperature gradient at the crystallization front; R is the crystallization rate. It was established experimentally that the dispersion of the structure with a cell size of 1.2-3.0 µm for steel 4ХЗВ2 / 2М2СЛ is achieved at G / R f 80 min / mm at a crystal growth rate, R 2.73 mm / min. At the same time, a temperature gradient in the melt, 4 ° C / mm, is provided.

5 Продолжительность затвердевани  стали 4ХЗВ2Ф2М2СЛ устанавливаетс  экспериментально и составл ет 1,2 мин. Окончательное затвердевание (второй этап) завершаетс  по истечении 30 мин. Затем форма охлаждаетс  до температуры тела штампа5 The duration of hardening of steel 4ХЗВ2Ф2М2СЛ is established experimentally and is 1.2 minutes. Final curing (second step) is completed after 30 minutes. The mold is then cooled to body temperature.

0 780-800°С, а отливка без охлаждени  азотом выдерживаетс  в форме в течение 60 мин дл  протекани  самоотпуска гравюры штампа при 620-660°С. Интервал температуры при самоотпуске выбираетс  из условий0,780-800 ° C, and the casting without cooling with nitrogen is kept in the mold for 60 minutes to allow self-tempering of the stamp engraving at 620-660 ° C. The temperature interval for self-tempering is selected from the conditions

г обеспечени  оптимальной твердости штампа, HRC 48-50.g ensuring optimum hardness of the punch, HRC 48-50.

Использование предлагаемого способа в народном хоз йстве позвол ет повыситьThe use of the proposed method in the national economy allows to increase

качество, а соответственно и работоспособность литых штампов за счет формировани  на рабочих поверхност х малодисперсного высоколегированного сло , характеризующегос  высокой износостойкостью, мелкозернистого в зкого переходного сло  и основани  из сплава более теплопроводного, экономить дефицитные высоколегированныеthe quality and, accordingly, the operability of cast dies due to the formation of a finely dispersed high-alloyed layer on the working surfaces, characterized by high wear resistance, a fine-grained, viscous transition layer and a base from an alloy of more thermally conductive, save scarce high-alloyed

стали, так как 70-50% объема штампа выполнено из более теплопроводной, низколегированной стали, что также снижает себестоимость штампа и кроме того, повысить производительность вследствие сокращени  времени кристаллизации путем заливки сплава второго сло  с меньшей температурой кристаллизации.steel, since 70-50% of the die volume is made of more heat-conducting, low-alloy steel, which also reduces the die cost and, in addition, increases productivity by reducing the crystallization time by pouring the second layer alloy with a lower crystallization temperature.

I Жидкий азотI Liquid nitrogen

Фиг. 2FIG. 2

Фиг.ЪFIG.

Claims (1)

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ШТАМПОВ, включающий послойную заливку сплава в литейную форму и направленное 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 10—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—100°С, чем у сплава первого слоя, а направленное охлаждение с помощью жидкого азота прекращают при температуре сплава второго слоя, равной 780—800°С.METHOD FOR PRODUCING CAST DIES, including layer-by-layer casting of the alloy into the mold and directed cooling from the side of the lower end of the billet, characterized in that, in order to improve the quality of cast billets and reduce costs, the first layer is poured from high-alloy wear-resistant steel with a thickness of 10-50% of the volume of the casting forms and carry out its cooling using liquid nitrogen, and after hardening it 30–80%, a second layer of alloy is poured into the mold with an alloy with a thermal conductivity greater than 20–100% and a solidification onset temperature, enshey at 60-100 ° C than that of alloy of the first layer, and directional cooling by liquid nitrogen is stopped at the second alloy layer equal to 780-800 ° C. SU „„ 1138240SU „„ 1138240 Фиг. 1FIG. 1