Устройство для турбулентного перемешивания кристаллизующегося металла в процессе центробежного литья

Полезная модель относится к литейно-металлургическому производству и может быть использовано в области машиностроения, в частности для заливки и перезаливки подшипников скольжения легкоплавкими сплавами. Техническая задача заявляемой полезной модели о обеспечение возможности перемешивать залитый металл в жидком и твердожидком состояниях. В центробежном диске шарнирно установлена стойка с подпружиненным ребром.

Полезная модель относится к литейно-металлургическому производству и может быть использовано в области машиностроения, в частности для заливки и перезаливки подшипников скольжения легкоплавкими сплавами.

Известно устройство для изготовления подшипников скольжения методом центробежной заливки с вертикальной осью вращения [1].

К недостаткам этого устройства можно отнести ликвацию антифрикционного сплава по удельному весу, под действием центробежных сил, а также отсутствие возможности перемешивания слоев заливки в жидком и кристаллизующимся (полужидком) состояниях и поверхностной горячей деформации в закристаллизовавшемся (твердом) состоянии. Кроме этого действующая на расплав сила притяжения приводит к появлению разностенности заливки по высоте.

Известно устройство для получения полых слитков (патент РФ №2108196 МПК В 22 D 7/04, 1997), содержащее поддон, изложницу и эксцентрично установленную на валу державку, которая при вращении вала образует, так называемую, цельную (квазимонолитную) конструкцию (систему) центрального стержня. При этом эффект квазимонолитности (квазицельности) зависит от скорости вращения вала.

Недостатком этого устройства является то, что оно не предназначено для перемешивания слоев металла, так как при высокой скорости вращения это не возможно. Кроме того, когда расплав переходит из жидкого состояния в полужидкое и твердое происходит подгиб рабочего органа (державки) и перемещение его из асимметричного положения в симметричное, что может привести к потере правильной цилиндрической формы внутренней полости слитка и, как следствие, к браку. В этом случае не может происходить и горячая деформация закристаллизовавшегося металла.

Наиболее близким к заявляемому, по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для заливки подшипников скольжения (патент №38649, МПК В 22 D 7/04, 2004), содержащее поддон, корпус подшипника (сменный) и центральный стержень установленный на валу с возможностью его вращения имеющий на своей поверхности установленные ребра. Кроме того, центральный стержень обеспечивает сифонный способ заливки жидкого металла.

Недостатком этого устройства является снижение интенсивности перемешивания полужидкого металла, так как металл в этом состоянии уже не заполняет межреберное пространство и ребра, по существу, оказывают все меньшее воздействие на процесс кристаллизации. При этом на завершающей стадии кристаллизации уменьшается деформационное воздействие ребер на закристаллизовавшийся металл и не в полной мере ликвидируется усадочное явление в зоне контакта корпус - заливка.

В этой связи важной задачей является создание новой оснастки включающей в себя центробежный диск с возможностью его вращения, закрепленный в центре этого диска корпус подшипника, а также вертикально выставленный в центре диска неподвижный стержень с шарнирно установленной и подпружиненной лопаткой с возможностью ее подгиба по мере кристаллизации сплава. Это позволяет осуществлять полный технологический цикл формирования внутренней полости заливки полученной в условиях турбулентной кристаллизации; беспрепятственно извлекать стержень из сформированной полости;

значительно увеличить универсальность, безотказность и надежность в работе, а также повысить качество заливки и ее внутренней полости.

Техническая задача заявляемой полезной модели является создание нового стержня-стойки с подпружиненным ребром, установленного в центре центробежного диска, в виде самонастраивающейся (самоприспосабливающейся) системы, сохраняющей работоспособность при изменении состояния кристаллизующегося сплава, позволяющего ребром перемешивать залитый металл в жидком и твердожидком состояниях со

своевременным его подгибом - выходом из заливки и поверхностной деформацией внутренней полости в закристаллизовавшемся (твердом) состоянии до момента полного останова центробежного диска, тем самым обеспечиваются новые технологические и эксплуатационные возможности процесса изготовления подшипников скольжения с повышенным качеством залитого слоя металла.

Техническая задача достигается тем, что в устройстве для турбулентного перемешивания кристаллизующегося металла в процессе центробежного литья, содержащем центробежный диск с возможностью его вращения с закрепленным в центре корпусом подшипника и вертикально установленой в центре диска неподвижной стойкой, эта стойка снабжена шарнирно установленным, подпружиненным и зафиксированным ребром имеющим возможность поворота вокруг оси под воздействием сил затвердевающего при остывании и давящего на нее металла.

Создание нового устройства для турбулентного перемешивания кристаллизующегося металла в процессе центробежного литья позволяет разработать новую конструкции самонастраивающегося ребра с фиксированием его в жидком металле, постепенным выводом его из металла в полужидком состоянии и полным выводом и последующей поверхностной деформацией металла в закристаллизовавшемся (твердом) состоянии, что обеспечивает беспрепятственное извлечение устройства из сформированного отверстия заливки, универсальность и надежность в работе устройства, получение подшипников скольжения с высоким качеством залитого слоя металла.

Произведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, не позволил обнаружить совокупность признаков, идентичных всем существенным признакам заявляемой полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию "новизна

На фиг.1 изображено устройство для турбулентного перемешивания кристаллизующегося

металла в процессе центробежного литья.

Устройство содержит центральную стойку 1 с шарнирно установленным на оси 2 подпружиненным ребром 3 по средствам пружины 4, крепление пружины осуществляется при помощи винтов 5 и 6 на проушинах 7 и рычаге 8. Настройка и фиксация подпружиненного ребра на определенный диаметр подшипников осуществляется упорным винтом 9. Стержень своей нижней частью устанавливается на конусе 10 расположенного в центре центробежного диска 11. Вертикальное положение стойки и ее фиксация обеспечивается держателем 12 с регулировочными болтами 13 неподвижно установленного относительно рабочей плиты 14 при помощи стоек 15 и болтов. Корпус подшипника 16 устанавливается в центре центробежного диска при помощи трех регулировочных болтов 17 вкрученных в стойки 18 этого диска. Прижим корпуса подшипника осуществляется прижимным диском 19 и болтами 20 вкрученных в стойки центробежного диска. Чтобы избежать возможной утечки жидкого металла в зазорах между корпусом и дисками (центробежным и прижимным) используют прокладки 21 из паронита, асбеста или другого похожего по своим свойствам материала.

Работа устройства заключается в следующем.

Перед заливкой расплава центробежному диску 11 с установленным и отцентрированным корпусом подшипника 16, с предварительно подготовленной должным образом внутренней поверхностью, сообщается вращательное движение, при этом установленная в строго вертикальном положении в центре центробежного диска 11 стойка 1 с подпружиненным ребром 3 остается неподвижной.

Сразу же после заливки расплава во вращающийся корпус подшипника 16 расплав под действием центробежных сил оттесняется к внутренней поверхности корпуса и моментально начинается его перемешивание ребром 3 (фиг.2а).

По мере затвердевания расплава (при переходе его в твердожидкое состояние) на ребро 3 оказывается все большее давление, что приводит к его повороту вокруг оси 2 и, следовательно, постепенному вытеснению фронтом кристаллизации ребра из заливки (фиг.2б).

Перемешивание заливки в жидком и твердожидком состоянии создает условия для турбулентной кристаллизации сплава и способствует полному "дроблению" дендритной структуры, устранению дендритной ликвации и ликвации по удельному весу (свойственной центробежному литью).

К моменту, когда металл закристаллизуется (твердое состояние) ребро 3 полностью выйдет из металла заливки и, оказывая давление под действием усилия пружины 4, будет деформировать его в горячем состоянии, компенсируя объемную усадку (фиг.2в).

Антифрикционными сплавами являются сплавы двухфазной или многофазной структуры, где твердые включения окружены более мягкой основой, при этом твердые включения имеют температуру кристаллизации значительно выше, чем мягкая основа (матрица).

При турбулентной кристаллизации антифрикционного сплава зарождение и рост твердых включений происходит в условиях их быстрого и беспорядочного движения с элементами вращения вокруг своих собственных осей в еще жидкой основе (матрице). В результате такой кристаллизации твердые включения в антифрикционном сплаве приобретают округлую (глобулярную) форму в отличие от остроугольной формы твердых включений получаемых при заливке аналогичных сплавов по известным на сегодняшний день технологиям. Кроме того, заметно уменьшаются размеры этих включений в сравнении с классическими способами заливки.

Свойства антифрикционных сплавов, таких как баббиты, находится в прямой зависимости от структуры, дисперсности твердых включений и равномерности распределения кристаллов в мягкой основе. Острые грани кубических кристаллов SnSb (в баббите Б83, например), формирующиеся при традиционной технологии (фиг.3, а), служат концентраторами напряжений и снижают механические характеристики сплава. Турбулентная заливка баббита Б 83 позволяет получать измельченные твердые кристаллы SnSb округлой (глобулярной) формы (фиг.3, б), что с точки зрения концентрации напряжений всегда предпочтительнее.

Для оценки деформируемости баббита Б83 в холодном состоянии было проведено

исследование влияния степени пластической деформации при прокатке на формирование трещин в кристаллах SnSb. Для этого из баббитов, полученных разными способами, изготавливали образцы. На каждом образце получали набор деформаций от 0 до 57%. После деформации этих образцов оценивали и находили ту степень деформации, при которой начинали образовываться трещины в интерметаллидах SnSb.

При анализе деформированной структуры баббитов полученных разными способами вычисляли процентное соотношение разрушившихся кристаллов к общему количеству кристаллов (цельных и разрушившихся). При подсчете кристаллов в баббите полученным сифонным способом в расчет брался участок с общим количеством кристаллов SnSb 30-40 штук, а при подсчете кристаллов в баббите полученным турбулентным способом 80-90 штук. Результаты подсчета были выражены в графической зависимости (фиг.4). Первые трещины в кристаллах SnSb баббита Б83 полученного классическим способом заливки (стационарная заливка сверху) появлялись уже при 4% деформации, тогда как в баббите Б83 полученном методом турбулентной кристаллизации первые трещины в этих же кристаллах зарождались только лишь при 47% деформации. Это обстоятельство позволяет дополнительно раскатывать баббит даже в холодном состоянии, что по очевидным причинам ранее было не возможно, после его заливки в корпус по новой технологии.

Одной из важных проблем при заливке антифрикционного сплава (например, баббитов) в корпус (стальной, чугунный) является обеспечение высокой адгезионной прочности на границе корпус - заливка. Решение этой проблемы усложняется тем, что в процессе кристаллизации залитого баббита объемная усадка (0,65% для Б83, например) обуславливает "отслоение кристаллизующегося баббита от корпуса, дальнейшая термическая усадка баббита при охлаждении еще более увеличивает этот зазор.

Возникающее при деформации давление на заливку компенсирует объемную усадку баббита при кристаллизации, обеспечивая хорошее адгезионное взаимодействие заливки и корпуса, что также является условием хорошей работоспособности подшипника скольжения в

целом.

Все действия (операции) при турбулентной заливке происходят в режиме саморегулирования (самоприспособления), включая перемешивание ребром сплава в жидком и твердожидком состоянии и поверхностной пластической деформацией внутренней поверхности заливки в закристаллизовавшемся (твердом) состоянии.

После окончания полного технологического цикла устройство свободно извлекается из подшипника.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания

1. Шуляцкий Д.И., Петриченко В.К. Изготовление, обработка и применение безоловянистых и малооловянистых антифрикционных сплавов. - М.: Металлургиздат, 1952 - 144;

2. Кукса А.В., Никулин В.В. Елансков Д.И. Волгоградский государственный технический университет. Патент RU 2108196 С1, 21.01.1997;

3. Потехин Б.А., Глушенко А.Н., Илюшин В.В. Уральский государственный лесотехнический университет. Патент РФ 38649 U1, 19.01.2004.

Устройство для турбулентного перемешивания кристаллизующегося металла в процессе центробежного литья, содержащее центробежный диск с возможностью его вращения с закрепленным в центре корпусом подшипника и вертикально установленной в центре диска неподвижной стойкой, отличающееся тем, что стойка снабжена шарнирно установленным, подпружиненным ребром, имеющим возможность поворота вокруг оси под воздействием сил затвердевающего при остывании и давящего на нее металла.