автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование структуры и оптимизации состава экономлегированного фосфористого чугуна для седла клапана автомобильного двигателя

ч

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УССР

ЗАПОРОЖСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.Я.ЧУЕАРЯ

На правах рукописи

СЗШНЬКО Георгий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА £ КОНОМНОЛЕГИН)ВАННОГО ФОСФОШСТОГО ЧУГУНА да СЕДЛА КЛАПАНА АВТОМОШШОГО ДВИГАТКЯЯ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

С промышленность )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Запорожье - 1990

Работа выполнена в Запорожском ордена "Знак Почета машиностроительном институте им. В.Я. Чубаря

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волчок И.П. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лунев В.В. кандидат технических наук, доцент Малышев Г.П.

Ведущее предприятие: НИИАТМ

Защита состоится " 20 " НОЯБРЯ_1990 г. в 15 — ча1

на заседании специализированного совета К.068.38.01 при Запорожском ордена "Знак Почета" машиностроительном инсти1 им.В.Я.Чубаря по адресу: 330063, Запорожье, ГСП-39, ул. Ж; ского , 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " 19 " ОКТЯБРЯ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор технических наук, профессор

И.П. ]

■J55 i

, ОБЩАЯ ХЛРАКТЕШСТИКА РАБОТУ

Yi' sr<5l *

Актуальность работы. Одной из основных тенденций научно-:нического прогресса в автомобилестроении является повышение шжности и долговечности двигателя, определявшего ресурс ра-■ы автомобиля в целом. Наиболее нагруженным узлом двигателя треннего сгорания является клапанный механизм газораспреде-[ия, в котором пара седло клапана-клапан работает в тяжелых :овиях, вызывающих износ рабочих фасок седла и клапана-. В просе работы фаска седла нагревается отходяшими газами до тем->атур 300-700°С. На фаску седла действуют механические нагруз-ударные (до 115 МПа) при посадке клапана на седло; статичес-(до 50 МПа) от давления пружин и рабочих газов на головку пана. Кроме того, в процессе сборки при запрессовке в голов-или блок цилиндров седло клапана подвергается одновременно вым и радиальным сжимающим нагрузкам и, находясь в условиях жного напряженного состояния, в Э-5% случаев разрушается. От ежности и долговечности работы пары седло клапана-клапан зна-ельно зависит экономичность, надежность и долговечность всего гателя. Топливная экономичность двигателя зависит от герметич-ги стыка седла и клапана, а долговечность - от износостой-ги седла.

Наиболее высокую износостойкость седел обеспечивает высо-згированный белый чугун. Однако, из-за его плохой обрабатнвае-ги не всегда достигается соосность фаски седла и клапана, при ( даже ручная притирка не устраняет полностью этот дефект, >одящий к негерметичности стыка. Низкая прочность и пластич-•ь чугуна вызывают поломки седел при их запрессовке в головку шдров.

Известно применение в мировой практике легированных фосфо-ых чугунов для седел клапанов карбюраторных и дизельных дви-

гателей. Чугуны такого типа экономичны, хорошо обрабатывайте: лезвийным инструментом, что обеспечивает соосность фаски сед и клапана после обработки и сборки. Однако, химический соста: структура применяемых чугунов весьма разнообразны, на сегодн: ний день не существует научнообоснованных критериев их выбор! учетом реальных условий работы седел клапанов.

Поэтому оптимизация состава, разработка технически обо< ванных требований к микроструктуре и свойствам чугуна, обест вашего повышение долговечности и надежности выпускных клапа! двигателя внутреннего сгорания, является одной из актуальных дач материаловедения.

Работа выполнена в соответствии с Постановлением ГКНТ ( № 535 от 31.12.86; задание 02,11 (1У) "Создать бензиновый рз\ тель для легкового автомобиля особо малого класса с уделышм ходом топлива 190 г/л.с.ч., масла на угар 0,5 г/л.с.ч, уделы массой 1,4- 1,75 кг/л.е., ресурсом до капитального ремонта V. км."

Цель работы. Исследование структуры, оптимизация состаз промышленное внедрение экономнолегированного чугуна, обеспеч1 щего высокую эксплуатационную надежность и долговечность седб клапанов в автомобильном двигателе. В связи с этим ставились новные задачи:

- изучить влияние условий работы седел клапанов, микрострукт чугуна в семах на процессы изнашивания и определить требован к свойствам чугуна;

- изучить влияние соотношения хрома к фосфору и модифицирова на образование фосфидной эвтектики и цементита в структуре бь охлаждаемых отливок седел клапанов, влияние термической обраб ки на структуру и свойства экономнолегированного фосфористого гуна, принятого в качестве исходного конструкционного материа

г седла клапана;

изучить влияние легирующих элементов: кремния, марганца, хро-, молибдена, никеля, меди на теплостойкость чугуна, исследовать эактер распределения легирующих элементов между структурными :тавляющими;

изучить влияние структуры на износ и обрабатываемость чугунов )азличным количеством фосфидной эвтектики и цементита; выбрать оптимальный состав и структуру экономнолегированного фористого чугуна для седел;

разработать методику оценки деформационной стойкости седел при запрессовке в головку;

разработать методику и прибор контроля качества отливок седел; испытать седла из чугуна оптимального состава, разработать и дрить в производство промышленную технологию получения седел панов для двигателя МеМЗ-245 к автомобилю ЗАЗ-П02.

Научная новизна:- разработана методика оценки деформацион-стоикости седел при их запрессовке в головку цилиндров; получены уравнения регрессий, описывающие влияние основных ментов химического состава на микротвердость металлической рицы и твердость чугуна при комнатной и высоких температурах; получены зависимости механических и служебных свойств чугуна от гношения Сч/Р, технологии модифицирования и термической обра-ки;

разработан датчик вихревого структуроскопа для оперативного гроля качества седел в условиях массового производства.

Практическая ценность и реализация работы. В результате элненных исследований разработан оптимальный состав и техно-веский процесс модифицирования экономнолегированного фосфо-гого чугуна для седел клапанов, обеспечивающие их надежность

и долговечность в двигателе. Экономический эффект от внедрения разработки на Мелитопольском моторном заводе составил 34990руб/ разработанный чугун может быть рекомендован к использованию ДД5 седел клапанов двигателей других моделей аналогичного класса.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских научно-технических семинарах и конференциях "Прогрессивные способы вш лавки литейных сплавов для фасонного литья", Киев, 1987; "Fecci сосберегающие технологии современного производства", Севастопоо 1987; "Повышение служебных свойств высоколегированных литых стг лей и чугунов", Москва, 1987; "Неметаллические включения и ra3i в литейных сплавах", Запорожье, 1988; "Новые конструкционные ci ли и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и дс вечности изделий", Запорожье, 1989; "Пути повышения надежности долговечности отливок", Киев, 1989; "Повышение качества отливо! и снижение вредного влияния литейного производства на окружающ; среду", Запорожье, 1990; "Повышение технического уровня и сове] шенствование технологических процессов производства отливок", Днепропетровск, 1990.

Седла клапанов из разработанного сплава экспонировались i ВДНХ УССР и отмечены дипломом II степени.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двен! цать работ, в том числе, одно авторское свидетельство на изобр<

тение и I положительное решение о выдаче авторского свидетельс

Структура и обг.ем работы. Диссертационная работа состоит введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных ис точников из 124 наименований, 5 приложений. Основной текст с 3: рисунком и 15 таблицами изложен на НУ страницах. Объем прилож( ний - 39 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается: актуальность темы, цель и за-1чи исследования, научная новизна и практическое значение выпол-¡нной работы.

Первая глава посвящена анализу(по данным технической лите-1туры)условий работы пары седло клапана-клапан в двигателях внут-:ннего сгорания и механизма износа седел клапанов; анализу чугу->в, применяемых для седел, а также влияния состава чугуна и номинирования на структуру и механические свойства. Установлено, о седла выпускных клапанов при работе двигателя нагреваются ходящими газами до температур 300-700°С, подвергается воздействию арных и статических нагрузок при посадке клапана на фаску седла.

I

1И этом тарелка клапана упруго деформируется, проскальзывает от-сителыю фаски и под действием сил трения сдвигает тонкий нагрей слой материала на поверхности фаски седла. Для седел клапанов льшинства типов двигателей основным материалом являются чугуны. иболее технологичные - легированные фосфористые чугуны, имеющие сокую жидкотекучесть и хорошую обрабатываемость лезвийным ин-румеитом, что обеспечивает герметичность стыка седло-клапан без итирки. Составы и структура этих чугунов разнообразны. Основ-ми легирующими элементами являются кремний, хром, молибден, фос-р, марганец, а в отдельных чугунах - никель, титан, медь. Графит меняется от гнездообразного в сочетании с пластинчатым до мелко-зстинчатого; матрица - от перлитной до троостомартенситной. Во зх чугунах имеется фосфидная эвтектика в сочетании с цементитом, тко, в одних случаях преобладает фосфидная эвтектика с цементной пластиной, в других - цементит. При разнообразии химичес-"о состава применяемых чугунов и типов структур в технической 'ературе нет научно обоснованных рекомендаций по выбору состава

и типа чугуна; нет данных о влиянии химического состава и, пре всего, легирующих элементов: Сг, Мо, Сии др. на теплостойкост а также о влиянии структуры на износостойкость фосфористого чу на с различным соотношением в структуре цементита и фосфидной тектики. Отсутствуют также рекомендации по методам регулирован структурообразования в быстроохлаждаемых отливках (типа седел) для получения различных типов структур.

Сделан вывод о неоходимости оптимизации состава экономно тированного фосфористого чугуна, разработки технологии модифиц рования с целью стабильного получения заданной структуры и выс ких механических и служебных свойств, обеспечения высокой эксп тационной надежности седел выпускных клапанов в автомобильном , гателе.

Во второй главе описаны материалы и методика исследовани Объектами исследований были низко - и высокофосфористые чугуны легированные кремнием, марганцем, хромом, молибденом, никелем, медью и модифицированные 45% ферросилицием и висмутом. Чугуны лавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-О,25/0,32 И I (емкое 250 кг) с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали ста! дартные материалы, ферросплавы и модификаторы.

Химический состав, структуру, технологические и механиче( свойства контролировали стандартными методами. Для выявления 01 щей структуры чугунов использовали травление раствором ]

в спирте. Для выявления фосфидной эвтектики травление произвол! нагретым реактивом Мураками с последующим травлением 4#-ным ра< ром нл/о^ в спирте. Твердость чугуна и микротвердость его струк^ ных составляющих при 20°С замеряли на приборах типа Вэквелла, ] нелля и ПМТ-3. Микротвердость матрицы при температурах 300-7001 замеряли по известным методикам на установке ИМАШ-9-66. Обрабоэ экспериментальных данных осуществляли на ЭВМ ЕС-ЮЗЗ.

Распределение легирующих элементов в структурных составля-[их чугуна изучали микрорентгеноспектральным анализом на микро-¡ализаторе "Самевах" с ускоряющим напряжением 20кВ, током зонда режиме микроанализатора ЗОКа, током зонда в режиме сканирующе-электронного микроскопа бООКа, угле выхода 40°. Фотографирова-при увеличении х2000 распределение Si, Р. Сг, Мо в характерис-ческих лучах. На фотоизображение распределения элемента в рент-новских лучах накладывали линии (кривые) интенсивности этих же ементов при прохождении электронного луча по сечению. Данные личественного анализа получали с компьютера РДР-П-О. С помощью ограммы МВХСО 2-79 ССоггех) анализировали необходимые элементы.

Обрабатываемость чугунов оценивали методом сверления на анке HC-I2A, проточенных по торцам отливок седел с различной руктурой и твердостью. Характеристика обрабатываемости при та-а методе - количество сверлений до затупления сверла.

Износостойкость чугунов с различной структурой определяли lape с закаленной сталью в условиях сухого трения на машине 1-2 при четырех ступенях нагружения: 100,200,300,400 МПа и часто-вращения вала 300с

Надежность и долговечность седел клапанов из чугуна опти-[ьного состава оценивали на двигателях МеМЗ-245 методом мотор. стендовых Сна испытательном стенде типа ])573б-4/у"Всетин") эксплуатационных Сна автомобилях 3A3-II02) испытаний.

Разработана методика оценки деформационной стойкости седел их запрессовке в головку цилиндров.

Разработан датчик вихревого структуроскопа BC-III-3A3 для ративного контроля седел в условиях массового производства.

В третьей главе изучено влияние соотношения Сг/Р, модифи-ования и термической обработки на структуру, механические и

служебные свойства экономнолегированного фосфористого чугуна < тава, масс.£: 3,5-3,8 С; 2,5-3,051; 0,7-1,2 Мп; 0,5-2,0 Сг; 1,2-1,5 Мо; 0,3- 0,6 Р; 0,7-1,0 Си.

На первом этапе исследовали влияние соотношения концент] ции в чугуне хрома и фосфора на микроструктуру и свойства чуг} в седле клапана. При этом содержание фосфора было постоянным (0,5$), а содержание хрома изменялось от 0,5 до 2,0$. На стандартных образцах и натуральных деталях (седлах), отлитых из э! номнолегированного фосфористого чугуна примерно одинакового XV ыического состава, но с изменяющимся от 1,09 до 3,92 соотношением Сг/Р немодифицированного и модифицированного 0,2-0,5-0,8^ присадками ферросилиция ФС75, проводили механические испытания определяли микроструктуру, износостойкость, обрабатываемость х вийным инструментом.

Микроструктура быстроохлаждаемого экономнолегированного фосфористого чугуна в литом состоянии состояла из троостомарте ситной матрицы, включений фосфидной эвтектики типа Ф35 и ледеС ритного цементита, образование которого существенно зависит не ко от соотношения Сг/Р, но и от степени модифицирования (рис.1

/

35

Влияние соотношения Сг/ 1 модифицирования на микг

структуру экономнолегир 5 ванного фосфористого чу

Модифицирование фе силицием ФС75 чугунов: 2-0,$; 3 - 0,5^; 4

О

12 3 4

Соотношение Сг/Р

Рис.1

При соотношении Сг/Р равном 1,09 модифицирование 0,8#ФС75 обеспечивало получение в седлах клапанов графита гнездообразного и мелкопластинчатого, фосфидной эвтектики типа ФЭ5 в сочетании с <524 и отсутствие ледебуритного цементита. При соотношении Сг/Р, равном 1,96, в структуре образовались только включения фосфидной эвтектики Ф25 и не более % ледебуритного цементита. При соотношении Сг/Р, равном 3,2-3,92, получение такой структуры даже при глубоком модифицировании невозможно.

Легирующие элементы Сг, Мо, Р и другие не только легируют металлическую основу, но и принимают участие в формировании карбидной и фосфидной фаз. Распределение легирующих элементов между зтими структурными составляющими оказывает существенное влияние т свойства чугуна, при этом оно зависит от скорости охлаждения 1 кристаллизации металла. Микрорентгеноспектральный анализ рас-тределения 51. Сг, Мо, Р между металлической основой, фосфидной эвтектикой и цементитной пластиной в структуре экономнолегирован-юго фосфористого чугуна седла клапана показал, что молибден кон-(ентрируетсл в основном в фосфидной эвтектике, хром - в цементит -юй пластине, кремний отсутствует в цементите и его содержание I фосфидной эвтектике - минимальное, фосфор концентрируется в фос-|Идной эвтектике и отсутствует в цементите. Данные количественно-о точечного анализа содержания элементов в структурных состав-яющих чугуна показали, что хотя молибден концентрируется в ос-овном в фосфидной эвтектике (соотношение его концентраций в фос-

идной эвтектике и металле) ( К'^ = 5,7), а хром - в цементите

Сг ^

Кц = 4,2;, содержание этих элементов в металлической основе остаточно высокое (табл.1). Следовательно, легируя металличес-ую основу, эти элементы повышают ее механические и теплофизи-эские свойства.

Таблица I

Содержание элементов в структурных составляющих чугуна ( Э,б£С; 2,&;iSi; 0,9$2Mn; 1,(#Сг; 1.3çgMo; 0,Щ? )

Структурная составляющая, ! Содержание, масс. с' /0

коэффициенты SL ! Сг ! Mo ! Р

Металлическая основа 2,76 0,78 0,54 0,06

К;40/Кчуг. 1,1 0,78 0,41 -

Фосфидная эвтектика 0,58 1.0 7,4 6,9

Кфз/Кчуг. 0,25 1.0 5,7 17,5

Цементитная пластина 0,12 4.2 3.51 -

УКчуг. 0,04 4.2 2,71 -

Примечание: К^, КфЭ, Кц, 1(ЦуГ - концентрация легирующих элементов соответственно в металлической основе, в фосфидной эвтектике, в цементите, в чугуне в целом

Наши исследования показали, что в седлах клапанов из эко-номнолегированнох^о фосфористого чугуна, содержащего 1% хрома, глубокое модифицирование позволяет стабильно получать в структуре фосфиднуи эвтектику типа £15 (с цементитной пластиной), но бе ледебуритного цементита. Предполагая, что модифицирование влияет не только на кристаллизацию эвтектики чугуна, но не в меньшей степени - на кристаллизацию фосфидной эвтектики, которая происходит при У50°С, выплавили и закристаллизовали в оболочковой фор ме (образцы 0 15мм) синтетическую фосфидную эвтектику. Исследова ние влияния модифицирования на кристаллизацию и твердость нелеги рованноп и легированной хромом синтетической фосфидной эвтектики показало, что твердость синтетической фосфидной эвтектики, леги-

|ваннои хромом выше, чем нелегированной. Модифицирование сущес->енно снижает твердость синтетической фосфидной эвтектики и не-гированной, и легированной хромом и больше влияет на снижение ердости цементитной пластины, чем собственно фосфидной эвтек-ки (табл.2 ). Полученные результаты подтверждают наше предложение, что модифицирование влияет не только на кристаллизацию тектики чугуна, но и на кристаллизацию фосфидной эвтектики.

Таблица 2

Твердость синтетической фосфидной эвтектики и микротвердость ее структурных составляющих

ндекс ¡Легирование ¡Модификаторы ¡Твердость ¡Микротвердость в

Сг, % ! % ! сплава, ¡переводе на НКСЭ

1 1 ! ФС75 ! ^ ! ! НВ ,фосфидной!Цемен-

эвтектики ¡тита

ф I 0,05 - - 311 47,0 62,0

5 2 0,05 0,5 0,1 269 44,5 58,5

В 3 1.0 - - 375 51,8 62,0

Ъ 4 1,0 0,5 0,1 324 47,5 57,5

{ротвердость фосфидной эвтектики соизмерима с микротвердостью «ентита. сто подтверждает предположение, что фосфидная эвтек-са, являясь твердой структурной составляющей, оказывает поло-гельное влияние на износостойкость чугуна.

Исследовали обрабатываемость и износостойкость чугуна с раз-1Н0й структурой и твердостью. Чтобы оценить влияние на обраба-|аемость именно упрочняющей фазы и исключить влияние структуры рицы, которая из-за различной скорости охлаждения отливок в рдом состоянии может быть от сорбитной до мартенситной, все

варианты седел подвергали отпуску при 600°С. Подтверждено нали. чие однозначной зависимости между твердостью,структурой и обра^ батываемостью чугуна лезвийным инструментом. Установлено, что удовлетворительно обрабатываются седла с твердостью не более ИKCL38, в микроструктуре которых имеется сетка фосфидной эвтек:

О

ки типа ФЬ5 Сс цементитной пластиной). Включения ледебуритного цементита более t>% резко ухудшают обрабатываемость седел.

Для оценки влиянии матрицы и упрочняющих структурных составляющих (цементита и фосфидной эвтектики) на износ испытали 5 вариантов чугуна (табл.3). Структура состояла из троостомарте ситной или сорбитной (после высокого отпуска) матрицы, тройной фосфидной эвтектики типа Фо5 и ледебуритного цементита, количество которого изменялось от О до 20 %.

Таблица 3

Характеристика чугунов и результаты их испытаний на износ

Индекс ! Характеристика чугуна Износ ,Дыкм при нагрузке ,М1 чугуна ______

! Количество !твер-!матрица ! ! !

ледебурита, ! % дость. !HSC8 • 1 100 ! ! 200 ! 300 ! 400

I 0 38- 41 X 80 190 380 730

2 2 40- 43 0) н СЦ 55 88 190 410

со W

3 5 41- 44 о со СИ 52 103 165 390

н и

4 10 43- 45 о о о к о 33 70 131 370

5 20 46- 50 о< е-| 21 50 НО 250

2а 5а 2 20 31- 33 36- 38 1 р< в битная 102 55 200 121 418 250 880 430

Износ всех испытанных чугунов увеличивался по мере повышения на

рузки, однако интенсивность износа зависела от структуры чугуна. Величина износа экономнолегированных фосфористых чугунов с тро-остомартенситной матрицей при сухом трении определялась количеством цементита в структуре, а при малом количестве цементита -типом фосфидной эвтектики и матрицы.Минимальный износ имели чу-гуны 4 и 5 с количеством цементита в структуре свыше 20$. Достаточно высокая износостойкость у чугунов 2 и 3 с сеткой фосфидной эвтектики типа Ф55 (с цементитной пластиной) и отдельными включениями ледебуритного цементита. Чугун I, в структуре которого нет ледебуритного цементита и в сетке фосфидной эвтектики имеются наряду с включениями Ф25 включения Ф34 (без цементитной пластины) имел низкую износостойкость. Влияние матрицы также весьма существенно: чугуны 2 и 5 с троостомартенситной матрицей имели меньший износ, чем соответственно 2а и 5а с сорбитной матрицей.

Механические свойства экономнолегированного фосфористого чугуна зависят от соотношения Сг/Р и модифицирования. Наиболее высокую прочность при твердости 32-38 НВСЭ имеет чугун, в котором :оотношение Сг/Р равно 3-4, а присадка ферросилиция в качестве юдификатора 0,5 - С целью дальнейшего повышения дисперс-

юсти структурных составляющих, механических и служебных свойств [угуна проводили его модифицирование висмутом. Присадка 0,003 -),005% висмута совместно с 0,5- ферросилиция ФС75 позволи-а увеличить количество гнездообразного графита в структуре чу-уна и обеспечила более равномерное распределение цементитных ластин. В результате применения указанной технологии модифици-ования получены следующие механические свойства фосфористого угуна: (5^= 243 МПа; 735 МПа; 440 МПа; /= 3,3мм.

седлах клапанов НКСЭ= 32 - 38; разрушающая нагрузка при радиаль-эм сжатии ОрС.= 520 МПа.

Методом математического планирования дробного шестифактор-

ного эксперимента на двух уровнях, позволяющего ограничиться 8 опытами, исследовано влияние легирующих элементов: кремния, марганца, хрома, молибдена, никеля и меди на теплостойкость чуг; на и его металлической матрицы. Основной уровень содержания эле ментов, кремний 2,5; марганец 1,0; хром 0,5; молибден 0,5; никель 1,0; медь 0,7. Интервалы варьирования элементов, %•. ± О,! ^ 0,5 Мп; + 0,3 Сг; + 0,3 Мо; + 0,5А/£; + 0,3 Си. В результате о< работки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость между твердостью при 20°С (НВ2оО£), при 650°С (11В650ос), падением твердости после нагрева и выдерош при 650°С (¿НВ), микротвердостью матрицы при 650°С (Ну*0 и хими ческим составом чугуна:

^®20°С = 214,3-12,851+1,8Мп +38,0Сг +9,6Мо +0,6/У<: +6,90и (I) НВ650°С =179.8-16,851 +3,9Мп +41,7Сг +23,8Мо-0,5М +9,6Си (2) ЛНВ =34,5 +6,0Sí -2,1Мп -3,7Сг-14,2Мо +1,0Ыс -2,7Си (3)

Н=3463,9-321,55£+82,9Мц +200,ОСг+484,4Мо-165,9^+51,7Си (4) Проверка по критерию Фишера подтвердила адекватность модели. Из уравнений 1-4 следует, что на теплостойкость чугуна наиболее существенно влияет содержание кремния ( снижает твердость и уве. личивает падение твердости), молибдена и хрома. При этом положи^ тельное влияние молибдена выше, чем хрома. Выше показано, что с( держание хрома в фосфористом чугуне должно быть в пределах 1$,т{ как при более высоком хроме не обеспечивается стабильное получе! структуры без ледебуритного цементита. Молибден в меньшей мере, чем хром влияет на образование ледебуритного цементита. Однако увеличение его содержания неэкономично, тем более, что (как видно из результатов микрорентгеноспектрального анализа) только 40? от введенного в чугун молибдена остается в матрице, а 6С$ - в фс фидной эвтектике и в цементите. В связи с изложенным, содержание хрома принято 0,9-1,^, молибдена также 0,9-1,^. При этом соде]

[ание хрома и молибдена в матрице (в соответствии с коэффициен-■ами их распределения) будет соответственно:

% Сг = (0,9 - 1,2) 0,78 = 0,7 - 0,95 (5) % Мо = (0,9 - 1,2) 0,41 = 0,36 - 0,48 (б) [о полни тельное легирование до 1,2% меди и до 1,0% марганца обес-ечивает достаточную теплостойкость чугуна при нагреве фаски седа до 550°С - 650°С.

Согласно полученным экспериментальным данным и зависимос-ям (l-б) требуемую теплостойкость чугуна при температурах до 50°С, высокие механические и служебные свойства обеспечивает остав, модифицированного 0,8 ФС75 и 0,003 - 0,005 Bi, экономно-егированного фосфористого чугуна типа ЗбОСЗХГМД, масс.%: 3,5-3,80; ,5-3,05£; 0,7-1,ОМя; 0,9-1,¿Cr; 0,9-I,üMo; 0,3-0,бР; 0,7_I,2Cu. тот чугун рекомендован в качестве материала для изготовления едел выпускных клапанов двигателя МеМЗ-245. Указанный состав чу-уна признан изобретением: заявка № 4732567/02-90985 от 3.07.1989г., ешение о выдаче авторского свидетельства от 24.08.1990г.

Четвертая глава посвящена исследованию износостойкости се-ел клапанов из экономнолегированного фосфористого чугуна на дви-ателях.

Опытные партии седел клапанов из чугуна ЗбОСЗХГМД были ис-ытаны на двигателях МеМЗ-245 в условиях моторных стендовых и эк-хлуатационных дорожных испытаний. Вгзультаты сравнивали с резуль-атами аналогичных испытаний седел клапанов из хромоникелевого злого чугуна, применяемого для седел двигателя МеМЗ-968.

Для оценки влияния структуры матрицы и режимов термической "(работки на износ испытали 3 варианта седел. Структура матрицы заданная твердость 32-38 НЮ„ были получены: I - в литом сос-

О

>янии (троостомартенситная матрица); 2 - после отпуска при 600°С

в течение 2 часов литых заготовок с твердостью более 38 НЕСЭ (троостосорбитная матрица); 3 - после закалки с 870°С и отпуска при б00°С - 2 часа литых заготовок с твердостью менее 32 НЕС0 (сорбитная матрица). Микроструктура чугуна в отливках I и 2 вариантов после термической обработки состояла из гнездообразного и мелкопластинчатого графита, сетки фосфидной эвтектики типа Фс (с цементитной пластиной) и ледебурита (3-5$). В отливках 3 варианта структура состояла из графита такой же формы, фосфидной эвтектики типа Ф55 и Ф34 (без цементитной пластины).

В результате моторных испытаний установили, что седла с оптимальной структурой, имевшие твердость 32-38 НЮ0 при троост мартенситной или троостосорбитной матрице, полученной в литом состоянии или после отпуска, имели минимальный износ, обеспечивающий заданный ресурс двигателя. Седла клапанов из экономнолег рованного фосфористого чугуна типа 360СЭХГМД введены в техничес кую документацию на двигатель МеМЗ-245.

Пятая глава включает разработку и внедрение технологичеси процессов производства седел клапанов из чугуна ЗбОСЗХГМД.

С учетом результатов исследований, выполненных в данной ] боте.разработана и внедрена в производство технология получения седел, включая изготовление форм, плавку, модифицирование чугуь термическую обработку, механическую обработку отливок, контрол! отливок и деталей. Наработка внедрена на Мелитопольском моторном заводе в двигателе МеМЗ-245 к автомобилю ЗАЗ-П02. В резул1 тате получен ряд преимуществ: снижена себестоимость производст! отливок седел на 10/о, улучшена обрабатываемость, исключена притирка, снижена трудоемкость механической обработки в 4,3 раза, повышена точность механообработки, снижена негерметичность стык иедло - клапан, что явилось частью повышения технико-экономичес

казателей двигателя МеМЗ-245. Экономический эффект в народном зяйстве в 1989 г. от внедрения разработки составил 34,99 тыс. 6. Ожидаемый экономический эффект (. при выходе завода на проэкт-d мощность 150 тыс. двигателей в год) составит 316,584 тыс. 5./год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Седло клапана автомобильного двигателя работает в усло-fix воздействия высокотемпературной газовой среды, ударных и атических нагрузок, сухого трения при проскальзывании тарелки шана. Материал седла должен иметь высокие теплостойкость, из-зостойкость, сопротивление разрушению при запрессовке, а также рошую обрабатываемость лезвийным инструментом.

2. Анализ литературных данных и опыта производства показал, з для этих условий наиболее перспективным материалом являются тированные фосфористые чугуны, применяемые на ряде зарубежных )течественных двигателей. Однако, с учетом конкретных условий ¡плуатации необходима оптимизация состава чугуна и разработка снологии производства, обеспечивающей заданную структуру, меха-(еские, технологические и служебные свойства.

3. Установлено, что оптимальной структурой чугуна для седел танов, обеспечивающей состояние хорошей обрабатываемости и юсостойкости является троостомарггенситная или троостосорбитная •рица с сеткой фосфидной эвтектики типа ФЭ5 (с цементитной плас-;ой), гнездообразный графит в сочетании с мелко - и среднеплас-[чатым, не более 5%структурно свободного цементита.

4. Получены зависимости, описывающие влияние соотношения Р и модифицирования ферросилицием на структуру, механические лунебные свойства чугуна типа 360СЭХГМД. Установлено, что опальное сочетание износостойкости, обрабатываемости и прочности

достигается при соотношении ОТ/Р, равной 3-4, и модифицирована ферросилицием в количестве 0,5- 0,8%. При этом твердость седел ■ 32 - 38 НЮЭ.

5. Установлено,что величина износа фосфористого чугуна с троостомаргенситной или троостосорбитной матрицей определяется количеством ледебуритного цементита, а при его малом содержании или отсутствии - типом фосфидной эвтектики.

6. Методом планирования эксперимента изучено влияние крем, ния, марганца, хрома, молибдена, никеля и меди на теплостойкост; чугуна. Получены уравнения регрессий, характеризующие теплостой. кость чугуна в зависимости от содержания основных легирующих элементов.

7. Микрорентгеноспектральным анализом изучено распределение легирующих элементов между структурными составляющими эконо» нолегированного фосфористого чугуна в седле клапана. С учетом распределения элементов и их влияния на теплостойкость матрицы уточнен химический состав чугуна для седел клапанов, масс. %\ 3,5- 3,8 С; 2,5- 3,0Б£; 0,7- 1,0 Мп; 0,9- 1,2 Сг; 0,9- 1,2 Мо; 0,3- 0,6 Р; 0,7- 1,2 Си; до 0,15 ; Ре- остальное.

8. С целью дальнейшего повышения механических, технологических и служебных свойств применено модифицирование чугуна висмутом в количестве 0,003 - 0,005$.

9. Внедрение в производство чугуна ЗбОСЗХГМД обеспечило сь жение себестоимости производства отливок седел клапанов двигател МеМЗ-245 на Щ», снижение трудоемкости механической обработки в 4,3 раза, повышение надежности и долговечности седел клапанов.

10. Предложенный состав чугуна и технология производства из него седел клапанов внедрены на Мелитопольском моторном завод Годовой экономический эффект в народном хозяйстве от внедрения

результатов диссертационной работы при выходе завода на проэкт-яую мощность 150 тыс. двигателей в год составит 316,584 тыс.руб. В 1989 году экономический эффект составил 34,99 тыс. руб.

Основное содержание работы отражено в следущих публикациях:

1. Шерман А.Д., Минаева Л.И., Слынько Г.И. Влияние терми-1еской обработки на износ седел клапанов из легированного фосфористого чугуна. - В кн. : Триботехника - машиностроении. М., [987, с. 118.

2. A.c. 1528808 СССР, МКИ3 С22С 37/10. Чугун с шаровидным 'рафитом для тонкостенных отливок/ Шерман А.Д., Терехов С.Г., Эершков Б.С., Минаева Л.И., Шепелев Н.С., Селиванов М.В.,

¡дор А.Н., Слынько Г.И. (СССР). № 4239145/22-02; Заявлено 29.04.87; )публ. 15.12.69; Бал. 46.

3. Шерман А.Д., Вершков Б.С., Слынько Г.И. Легированные угуны в автомобильных двигателях. - В кн.: Повышение служебных войств высоколегированных литых сталей и чугунов. М., 1987,

. 129-130.

4. Слынько Г.И., Волчок И.П., Шерман А.Д. Влияние некоторых еталлургических факторов на строение размер, распределение фос-идной эвтектики в сером чугуне.- В кн.: Неметаллические включе-ия и газы в литейных сплавах. Запорожье, 1988, с.199-200.

5. Слынько Г.И., Шерман А.Д., Здор А.Н. Изучение влияния эдифицирования и термической обработки легированного серого чу-уна на износостойкость седел клапанов двигателя внутреннего сго-зния. - В кн.: Неметаллические включения и газы в литейных спла-äx. Запорожье, 1988, с. 242-243.

6. Слынько Г.И., Минаева Л.И., Шерман А.Д. Влияние висмута i структуру чугуна.- Литейное производство, 1989, №6, с.31.

7. Лущенков В.Л., Слынько Г.И., Шерман А.Д. Распределение

хрома и молибдена в белом чугуне. - Металловедение и терыическа! обработка металлов, 1985, № 8, с. 62.

8. Слынько Г.И., Шерлан А.Д. Влияние легирующих элементов на теплостойкость матрицы серого чугуна. - В кн.: Новые констру] ционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надеу ности и долговечности изделий. Запорожье, 1989, с. 211.

9. Слынько Г.11., Волчок И.П. Износостойкость легированных фосфористых чугунов для седел клапанов. - В кн.: Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения наде* ности и долговечности изделий. Запорожье, 1989, с. 213.

10. Слынько Г.И., Волчок И.П. ¿1аропрочный чугун. - В кн.: Повышение качества отливок и снижение вредного влияния литейногс производства на окружающую среду. М., 1990, с.42- 43.

11. Слынько Г.И., Анацкий Ъ.С., Веселов А.Г. Исследование распределения легирующих элементов в фосфористом чугуне. - В кн. Повышение технического уровня и совершенствование технологически процессов производства отливок. Днепропетровск, 1990, с.56.

12. Слынько Г.И., Волчок И.П., Шерман А.Д. Чугун. Положительное решение от 24 августа 1990г. по заявке на изобретение 4732567/02-90985 от 3 июля 1989г.