автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и внедрение способов повышения износостойкости и производительности литого чугунного шарикообкатного инструмента

БВДЦЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Требования, предъявляемые к шарикообкатному инструменту.

1.2. Основные характеристики шарикообкатного инструмента.

1.3. Общие сведения о чугуне, как материале для производства литого шарикообкатного инструмента.

1.4. Цути повышения служебных свойств литого шарикообкатного инструмента.

1.5. Выеоды. Цель и задачи исследований.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Способы выплавки и контроль химического состава чугуна.

2.2. Металлографический анализ. Метод отбора проб из отливок для исследования микроструктуры чугуна.

2.3. Методы испытания механических свойств чугуна.

2.4. Метод испытания чугуна на прокаливаемость.

2.5. Метод испытания шарикообкатного инструмента на производительность и износостойкость.

2.6. Метод анализа и экспрессконтроля качества литых заготовок инструмента по термическим кривым кристаллизации чугуна.

3. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЧУГУНА В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИТОГО ШАРИКООБКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА.

3.1. Влияние химического состава на твердость чугуна б литом и термически обработанном состоянии.

3.2. 'Влияние химического состава на микроструктуру и . механические свойства чугуна.

3.3. Влияние перегрева расплава чугуна на размер включений графита, закаливаемость и прокаливаемость, шарикообкатного инструмента.

3.4. Влияние модифицирования на параметры кристаллизации, размер и количество графита в чугуне состава шарикообкатного инструмента.

3.5. Влияние продувки расплава природным газом на параметры кристаллизации,размер и количество графита в . чугуне состава шарикообкатного инструмента.

3.6. Экспрессконтроль качества литых заготовок инструмента по термическим кривым кристаллизации чугуна.

3.7. Исследование влияния скорости охлаждения расплава в форме на макроструктуру литых заготовок шарикообкатного инструмента.

3.8. Выводы.

4. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И ТВЕРДОСТИ ЧУГУНА. НА

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ШАРИКООБКАТНОГО ШСТРУМЕНТА.

4.1. Влияние размера включений графита на производительность процесса обкатки.

4.2. Влияние давления на производительность шарикообкатного инструмента.

4.3. Влияние давления на качество поверхности шариков.

4.4. Влияние закаливаемости и прокаливаемости чугуна на износостойкость шарикообкатного инструмента. НО

4.5. Влияние иттрия на производительность и износостойкость шарикообкатного инструмента.

4.6. Выводы.

5. ВНЕДРЕНИЕ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТОГО ШАРИКООБКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА.

5.1. Разработка и внедрение новой технологии производства литого шарикообкатного инструмента.

5.2. Технико-экономическая эффективность разработки новой технологии в производстве литого шарикообкатного инструмента.

5.3. Технико-экономическая эффективность эксплуатации шарикообкатного инструмента, изготовленного по новой технологии, в условиях ГПЗ-З.

5.4. Выводы.'.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС, а также декабрьского (1983г) Пленума ЦК КПСС перед работниками науки и промышленности поставлена задача- повысить производительность труда и снизить себестоимость выпускаемой продукции^/,

В подшипниковой промышленности в решении этих задач большую роль играет повышение качества чугуна, применяемого при изготовлении специального инструмента для обработки шариков методом обкатки-шарикообкатных дисков. Существующая технология производства чугуна для их изготовления обладает рядом существенных недостатков и, в первую очередь, не обеспечивает достаточную производительность и износостойкость шарикообкатного инструмента. В связи с этим является актуальным совершенствование способов производства чугуна для изготовления литого инструмента. Перспективным направлением при этом является разработка специальных способов регулирования структуры и свойств чугуна с целью повышения физико-механических свойств инструмента. Однако в литературе отсутствуют соответствующие сведения применительно к условиям производства шариков для подшипников.

В представленной диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Выявление факторов^ определяющих производительность и износостойкость литого чугунного шарикообкатного инструмента.

2. Теоретический анализ влияния процессов кристаллизации на изменение структуры и свойств чугуна, применяемого при изготовлении шарикообкатного инструмента.

3. Исследование влияния химического состава на твердость чугунного инструмента в литом и термически обработанном состоянии.

4. Исследование модифицирования расплава методом термического анализа и определение влияния параметров затвердевания на размер и количество включений графита в чугуне состава шарикообкатного инструмента.

5. Исследование влияния структуры и твердости чугуна на производительность и износостойкость шарикообкатного инструмента.

6. Разработка и внедрение в производство технологии изготовления литого чугунного шарикообкатного инструмента с оптимальными свойствами.

7. Повышение технико-экономической эффективности производства и эксплуатации шарикообкатного инструмента, изготовленного по разработанной технологии.

Автор выносит на защиту:

1. Механизм явлений,обуславливающих производительность и износостойкость литого чугунного шарикообкатного инструмента.

2. Рекомендации по регулированию структуры и свойств чугуна с целью повышения производительности и износостойкости шарикообкатного инструмента.

3. Состав чугуна с высоким уровнем закаливаемости и прокали-Еаемости в сочетании с предпочтительной крупнопластинчатой формой графита в структуре.

4. Метод регулирования износостойкости шарикообкатного инструмента модифицированием расплава чугуна иттрием.

5. Математические зависимости, связывающие:

- производительность шарикообкатного инструмента и размер включений графита в чугуне;

- износостойкость шарикообкатного инструмента и твердость чугуна после термической обработки.

6. Способ регулирования структуры чугуна продувкой расплава природным газом.

7. Рабочую технологию получения литого шарикообкатного инструмента из чугуна модифицированного иттрием.

По результатам работы автором разработана и внедрена в производство новая технология изготовления литого чугунного шарикообкатного инструмента, позволившая увеличить долговечность последнего в 3 раза и повысить производительность при обкатке шариков на 25,8$. Ежегодный экономический эффект от внедрения результатов исследований только по Саратовскому подшипниковому заводу составляет более 241,6 тыс.рублей.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Структура и твердость чугуна определяют основные эксплуатационные характеристики шарикообкатного инструмента-производительность и износостойкость.

2. Модифицирование расплага чугуна иттрием повышает закаливаемость и прокаливаемость шарикообкатного инструмента. Наибольшее допустимое количество вводимого в расплаЕ иттрия, обеспечивающее трехкратное повышение износостойкости при сохранении размеров и количества графита в чугуне состава шарикообкатного инструмента, находится в пределах от 0,04 до 0,06$.

3. Закаливаемость и прокаливаемость чугуна зависит также от температуры перегрева расплава. Температура перегрева распла-Еа, обеспечивающая получение твердости шарикообкатного инструмента в интервале 420-470 НВ, находится в пределах 1440-1480°С.

4. Для чугуна состава шарикообкатного инструмента неприемлемы традиционные способы модифицирования, ведущие к уменьшению размеров включений графита. Одним из способов увеличения размеров включений и количества графита е чугуне этого состава является повышение степени его эвтектичности до 0,9 за счет увеличения содержания углерода и кремния. Повышение степени эвтектичности более 0,9 недопустимо из-за резкого падения твердости чугуна после термической обработки.

5. Увеличение размеров включений графита в чугуне с 45 мкм до 360 мкм повышает производительность шарикообкатного инструмента до 8 раз.

6. Рабочий интервал твердости шарикообкатного инструмента находится в пределах от 400 НВ до 470 НВ. Каздому типоразмеру обрабатываемых шариков соответствует свой оптимальный интервал твердости, С уменьшением диаметра обрабатываемых шариков допустимый интервал твердости инструмента повышается.

7. Повышение износостойкости шарикообкатного инструмента позволяет увеличить рабочее давление при обкатке шариков с 3,0-3,5 МПа до 4,0-4,5 МПа, что приводит к дополнительному увеличению производительности процесса обкатки на 25-30$.

8. Сочетание перегрева чугуна с дозированной продувкой расплава природным газом является перспективным способом регулирования параметров затвердевания размеров и количества графита в чугуне. Продувка расплава природным газом ведет к повышению степени графитизации и прочностных сеойсте чугуна как в литом состоянии, так и после термической обработки.

9. Установлены математические зависимости:

- производительности шарикообкатного инструмента от размера включений графита в чугуне и диаметра обрабатываемых шариков;

- износостойкости шарикообкатного инструмента от твердости чугуна после термической обработки и диаметра обрабатываемых шариков.

10. По результатам исследований разработана и внедрена в производство новая технология изготовления литого чугунного шарикообкатного инструмента, позволившая увеличить износостойкость последнего в 3 раза и производительность при обкатке шариков на 25,8$. Ежегодный экономический эффект от внедрения результатов исследований только по Саратовскому подшипниковому заводу составил более 241,6 тыс.рублей.

1. Постановление ХХУ1 съезда КПСС по проекту ЦК КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года". 2 марта 1981г.- В кн.: Материалы ШТ съезда КПСС, М., 1981,с.136-162.

2. Постановление ЦК КПСС и СоЕета Министров СССР "Об илучше-нии планирования и усиления воздействия хозяйственного механизма на повышение эффективности производства и качества работы". Правда, 1979, 29 июля.

3. Л.А. Олендер. Технология и оборудование шарикового производства. Минск, "Вышэйская школа", 1974, с.122-162.

4. Технический отчет по теме: "Разработка технологии производства иттриевого чугуна и применение его при изготовлении ответственных деталей в металцургии и машиностроении",о су дар свв е иной регистрации 73052987, г. Саратов, 1976, с.122-125, с.134-140.

5. А.А.Аникин. Иттриевый чугун, "Машиностроение",М.,1976, с.78-86.

6. С.П.Байков. Новые технологические процессы производства шарикоЕ. НИИЙавтопром, М.,1968, с.4-5.

7. С.П.Байков,В.А.Кремнев. Технологический процесс обработкишариков методом обкатки.НИИНавтопром.М. ,1970,с.21-38.

8. А.С.464651 (СССР),Чугун. А.Д.Шерман,В.В.Валентейчик, В.А.Наумов, Т.И.Мочалова, А.М.Кочерыгина, Опубл.в Б.И.1975, Ш.

9. А.С.Ы4037 (СССР).Чугун. А.А.Аникин,А.Е.Глинский,А.Ф.Максю-шин, В.С.Маввеев. Опубл. в Б.И.1976, ЖС8.

10. А.А.Рыжиков. Теоретические основы литейного производства. , М-С, "Машиностроение", 1961, с.93-115.

11. Б.Б.Гуляев. Литейные процессы. М-Л,1960,с.101 127.

12. Г.Ф.Баландин. Формирование кристаллического строения отливок. М. "Машиностроение", 1965, с.29-33.

13. Н.Г.Гиршович. Чугунное литье. М.-Л.,"Металдургиздат",1949,с.201 217.

14. Д.Н.Худокормов. Роль примесей в процессе графитизации чугу-нов. Минск, 1968, с.35-81.

15. В.М.Глазов, А.А.Вертман, Е.Г.Швидковский. К итогам дискуссии о структуре и свойствах жидких металлов. Изв.АНСССР, ОТН. Металлургия и топливо,1961,№3,с.104-115.

16. Д.П.Иванов. О природе пластинчатого графита в чугуне."Литейное производство",1954, №3, с.18-24.

17. Д.П.Иванов. Сб."Кристаллизация металлов", М. ,1960,с;.51—54

18. А.А.Баранов,К.П.Бунин. "Литейное производство", 1964,Ш с. 17.

19. РенНегз&л. „ ^геззегес- 7 л/*//, о. 4 7- 4 э.

20. Д.С.Каменецкая. Сб."Рост кристаллов",т. 1,М.,1957, с. V II.

21. Н.Н. Сирота. Сб. "Кристаллизация и фазовые переходы "»Минск, 1962, с. 59 70.

22. С.С.Штейнберг. Металловедение, Свердловск, 1961, с.19 35.

23. В.И.Данилов. Строение и кристаллизация жидкостей,Киев, 1956, с. 21 45.

24. О.Д.Козачковский. Сб. научных работ лаборатории металлофизики АН УССР, Киев, 1948, с. 83.

25. Н.Г.Гиршович. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М-Л, 1966, с.51.- 68, с.112 114, с.78 - 96.

26. К.П.Бунин "Металловедение и термическая обработка", 1961, №9, с. 29 45.

27. И.М.Богачев. Металлография чугуна. Свердловск, "Металлург-издат", 1962, с.366-367.

28. А.А.Жуков. Некоторые вопросы теории графитизации железоуглеродистых сплавов. Изв.вузов. Москва,"Машиностроение",1961, МО, с. 131-132,м

29. Г.И.Шенк, М.Г.Фроберг. Изменение активностей в двухкомпо-нентных растворах при добавке других элементов. Физико-механические основы металлургических процессов.Москва, "Металдургиздат", 1964, с.227-246.32. '/еызыьзо^

30. И.Н.Богачев, Г.С.Давыдов, С.Б.Рожкова. Графитизация и термическая обработка белого чугуна. Москва, 1964, с. 39 51.

31. К.В.Горев, З.Н.Проскурина. Сб."Получение й свойства чугуна с шаровидным графитом".М.-Л., 1962, с. 129 148.35.а? лс^ ^ г ¿туз ^¿¿эл

32. Е.Пивоварский. Высококачественные чугуны. М."Металлург-издат", 1965, с.833-866.

33. К.П.Бунин, Н.Г.Осада. Влияние фосфора на кинетику кристаллизации чугуна. "Литейное производство", 1963,,№6,с.29.

34. А.П.Любченко, М.В.Можаров, Д.Г.Шерман. Микрораспределение в чугунах элементов, изменяющих огранку кристаллов графита. "Физика-металлов и металловедение", М.,АН СССР,1964,т.18, еып.4, с.564-572.

35. Г.Н.Николаев. Сб. "Вопросы литейного производства и термической обработки чугуна". М.,"Машгиз",1956, с.156-170.42.

36. А.А.Жуков. Сб. "Кристаллизация металлов",М.,1960, с.31-56.

37. Е.Ф.Петрова.,Л.А.Шварцман. Сб. "Проблемы металловедения и . физики металлов", 1959, .№6, с. 56 72.

38. И.В.Кузьмин, В.П.Чёрнобровкин,"Литейное производство", 1962, №5, с. 7 8.

39. Л.И.Леви. Азот в чугуне для отливок. М. ,1964, с. 29 51.

40. Я.С.Гольдштейн. Микролегирование стали и чугуна. Москва-Свердловск, 1959, с. 119 137.48. „ УЗСОГ/?/?^^ 7 ^^ "'¿-в, X3

41. Д.Н.Худокормов, В.Д.Болотский."Литейное производство", 1962, Ш, с. 3 5.

42. Д.Н.Худокормов, А.Н.Клеев."Литейное производство", 1962,Ш, с. 7 9.

43. А.М.Петриченко, Б.П.Беляков. Тезисы докладов на ХХП Всесоюзной конференции по литейному производству.Сб.I, Харьков,1966, с. 21.

44. Ю.А.Кряковский, Ю.И.Рубенчик, Е.И.Тюрин, В.И.Явойский.л"Металловедение и термическая обработка металлов?, 1963, * И, с. II 15. ■

45. А.В.Вишкарев, Ю.В.Кряковский, С.А.Елизнюков, В.И.Яеойский. Известия ВУЗов (Черная металлургия), 1962,.№3,. с. 32 35.55. /V? Ис-^'^УЛ ¿А ¿^¿¿гмз . ^56.

46. Д.П.Иванов. Сб."Получения и свойства чугуна с шаровидным графитом",М.-Л.,'"Машгиз, .1962, с.29-32 ' * д

47. К.П.Бунин. Отбеленный чугун. Москва-Свердловск,"Металлург-издат", 1947, с.49 53.у с.'у4 гс1. Ы^^г^}. уЗ.Я.С. Уег£

48. А.Франш. Анализ графитизвдрицих модификаторов", "Рггер&сГ,1973, №10, с.312-320.

49. Н.Г.Гиршович. Влияние перегрева при плавке и модифицировании на свойства серого чугуна."Литейное производство", 1960, №7, с.26-32.s ¿¿у nt

50. ZC^^e*Ac/JTj ^¿SI'Z ? З^уз^/угс^. ¿zrn^

51. JO. г*^J. /Зс^А. J" /9SJ; si/f^S; /-3-4/-/J6/.

52. Н.П.Дубинин. Кокильное литье. M.»"Машиностроение", 1967, с.81-96.

53. В. Я. Ромашова. Изучение термического режима различных слоев литейной формы, наполненной металлом."Литейное дело",1936, №, с.9.

54. Н.Г.Гиршович, А.Я.Иоффе, В.С.Голицын, Л.Р.Зоммер, В.В.Евси-ков. Влияние шихтовых материалов на структуру и свойства чугуна с пластинчатым и шаровидным графитом. ЛДНТД, Ленинград, 1975, с.3-7.

55. В.П.Чернобровкин, А.А.Ананьев, А.А.Добрычень. Сравнительная оценка литейных чугунов заводов Урала."Литейное производство", 1961, №5, с.8-10.

56. Л.И.Леви. Об одной из главных причин "наследственных" свойство литейного доменного чугуна. "Литейное производство",1962, №7,с.27-29.

57. Л.И.Гольденберг. О качестве литейных доменных чугунов. "Литейное производство", 1958, №9, с.7-8.

58. Л.И.Леви. Сб. "Газы в литом металле".-"Наука",19б4,с.39-41

59. Г.И.Клецкин. Структура и механические свойства модифицированного чугуна."Литейное производство",1У52,№7,17-22.

60. Н.А.Баринов. Низкокремнистые литейные и передельные чугуные производстве качественных отливок."Литейное производство". 1958,М, с.7-10.72. l4/t Sf 3 . -г¿v¿'st i^v ^л, . /S>6Si/"/, j. /-/

61. М.Е.Гарбер. Отливки из белых износостойких чугунов. М., "Машиностроение", 1972, с.5-35.

62. М.М.Тененбаум. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. М.,"Машиностроение"1966, с. ^ 25.

63. Г0СТ2604.0-77. Чугун легированный. Общие требования к методам химического анализа.

64. Г0СТ22536.0-77. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Общие требования к методам анализа.

65. Г0СТ34^43-77. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры.

66. Г0СТ1497-73. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

67. Г0СТ9012-59. Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Бринеллю.

68. Г0СТ9013-59.Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Роквеллу.

69. Г0СТ9450-60. Металлы. Метод испытания на микротвердость вдавливанием алмазной пирамиды.

70. Г0СТ5657-69. Сталь. Метод испытания на прокалиЕаемость.

71. М.д. СМаис/Асги, Я.W.f-fe¿/1eJC./1.¿e¿y1eг.З'г. /^^¿¿¿Гт^

72. ЙГ/?/?¿(¿гз /у^ /•йя«^/^ ¿-¿г г ¿ъ&я

73. A.A.Жуков. Теоретические основы графитизации чугуна и формирования структуры отливок.М., "Машиностроение",1978, с .1,7-51.

74. Гудремон. Специальные стали,т.2, М.,ИЛ,I960, с. 127 141.

75. Б.М.Шиголев. Математическая обработка наблюдений.М., Наука, 1969, с.215-226, 278-285.

76. Ф.С.Новик, Я.Б.Арсов. Планирование экспериментов. М., Наука, 1978, с. 211 240. '

77. Г.Ф.Баландин. Основы теории формирования отливки.Часть I. "Тепловые основы теории". Затвердевание и охлаждение отливки". Москва, "Машиностроение", 1979, с. 105 147.

78. Г.Ф.Баландин. Основы теории формирования отливки. Часть П. "Формирование макроскопического строения отлиеки".Москва, "Машиностроение", 1979, с.II 26, с.79 - 93, с.164 - 180.

79. А.А.Аникин, В.П.Храмов, А.Е.Глинский, А.А.СамойлоЕ, В.Г.Дыкин, Особенности получения ж свойства иттриевого чугуна. Тезисы докладов ХХУТ Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков, Харьков, 1973, с.21.

80. А.А.Аникин, А.Е.Глинский. Иттриевый чугун."Литейное производство" 1972, Л°2,с.41.

81. Г.С.Ершов, В.А.Черняков. Строение и свойства жидких и твердых металлов. МоскЕа,"Металлургия",1978, с.89-107.

82. Д.Р.Вильсон. Структура жидких металлов и сплаЕоб.МоскЕа, "Металлургия", 1972, с.дя 127.

83. Б.И.Хрушов. Структура жидких металлов.Ташкент,Изд-во,ФАН, 1969, с. 79 91.97. уО.л/?//, -у.

84. Н.Г.Гиршович, А.Я.Иоффе, В.А.Белецкий. Повышение качествачугуна при выплавке е индукционной печи и дуплекс-процессом.»

85. ЛДНТП, Ленинград, 1976, с.4-7.

86. Н.Г.Гиршович, А.Я. Иоффе, Влияние шихтоеых материалов'на структуру и свойства чугуна с пластинчатой и шаровидным графитом. ЛДНТП, 1975. с. II 14.

87. И.Е.Шкребко, А.А.Аникин, Н.Н.ВислоЕа, А.Е.Глинский. Эффективность производства отливок шарик сформирующих дисков из иттриевого чугуна."Литейное производство".1976, МО. с.38.

88. Нормы расхода материалов в литейном производстве на 1973, Саратов, ГПЗ-З.

89. Нормы расхода материалов в литейном производстве на 1983г. Саратов, ГДЗ-З.104. 1У37.551.20002-74. Инструкция на процесс производства шарикообкатных дисков. Москва, ГПЗ-1, 1974.

90. А.С.558050 (СССР). Способ получения легированного чугуна. А.Е. Глинский, А.А.Аникин, В.И.Лупол, Н.П.Шабуров, А.Ф.Мак-сюшин. Опубликовано е Б. И. 1977,М8.

91. И.37.553.163-74. Инструкция на процесс производства шарико-обкатных дисков из иттриевого чугуна.Саратов,ГПЗ-З,1974.

92. А.Е.Глинский.Новый инструмент для предварительной обкатки заготовок шариков. Информационный листок. Саратовского ЦНТИ,1976,№51.1. АКТо внедрении законченной научно-исследовательской, опытно-конструкторской работынужное подчеркнуть)

93. Внедрение результатов исследований дало возможность предприятию (организации) получитьв 1983 годуследующий технико-экономический эффектв размере 241611,6 руб. в год.