автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Комплексное исследование влияния вибрации на свойства серого чугуна с целью получения герметичных отливок

На правах рукописи

Хамитов Ренат Минзашарифович

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИИ НА СВОЙСТВА СЕРОГО ЧУГУНА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2004

Работа выполнена на кафедре литейного производства Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Селянин Иван Филиппович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марков Василий Алексеевич кандидат технических наук Мамаев Константин Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Завод Универсал» (г. Новокузнецк).

Защита состоится « 27 » декабря 2004 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета К 212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова 42, СибГИУ. Факс: (3843) 46-57-92. E-mail: renatu@list.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО СибГИУ. Автореферат разослан « 26 » ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Куценко А.И.

мое- ч г\150Ь7^

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из важнейших свойств многих отливок является герметичность, под которой понимается способность внутренней части изделия выдержать определенное давление жидкости или газа. Герметичные отливки изготавливают из стали, цветных сплавов или высокопрочного чугуна, что значительно увеличивает стоимость этих отливок. Ряд деталей для гидроаппаратуры, работающих при давлениях 15-20 МПа, изготавливают из серого чугуна с низким содержанием углерода и фосфора. При производстве данного типа отливок повышенные требования предъявляются к качеству исходных шихтовых материалов, условиям плавки металла, методам внепечной обработки расплава.

Большой практический интерес представляет разработка технологии и методов получения герметичных отливок на основе дешевых шихтовых материалов без внепечной обработки расплава. Данный подход позволяет значительно снизить затраты на производство отливок.

Одним из таких методов является вибрация. В связи с этим актуальным является применение технологии вибрационной обработки расплава, которая одновременно позволяет уменьшить размеры графитных включений и воздействовать на усадочные процессы при производстве герметичных отливок из чугуна.

Цели и задачи работы. Исследование и разработка технологии получения герметичных отливок из серого чугуна на основе внешнего вибрационного воздействия на расплав в процессе затвердевания.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать воздействие вибрации иа механические свойства, микро- и макроструктуру отливок из серого чугуна, а также на усадочные процессы в серых чугун ах.

2. Исследовать влияние типа плавильного агрегата на герметичность отливок, получаемых с применением вибрации.

3. Разработать методику прогнозирования воздействия вибрации на размер и форму графита на основе метода дифференциально-термического анализа.

4. Определить оптимальные режимы вибрационного воздействия на затвердевающий чугун с целыо повышения механических свойств и герметичности отливок.

5. Практически реализовать результаты исследований с целью улучшения эксплуатационных свойств отливок.

Научная новизна.

1. Определены и исследованы оптимальные режимы вибрационной обработки отливок из серого чугуна, способствующие измельчению графитных включений, устранению газоусадочной пористости, улучшению условий питания и, как следствие, повышению герметичности сплавов в комплексе с другими свойства-

Рос 1 .. * "VIЬНАЯ

1 • 1 М

*

геобм

2. Установлено, что ведущими параметрами при оптимизации процесса вибрационного воздействия являются частота и ускорение вибрации.

3. Установлена взаимосвязь различных режимов вибрации и скорости охлаждения отливки в форме с размерами и формой включений графита, а так же механическими свойствами и герметичностью отливок.

Практическая ценность работы. Воздействие вибрации на кристаллизующийся расплав обеспечивает получение сплавов, обладающих повышенной герметичностью и механическими свойствами. Оптимальные вибрационные режимы можно рекомендовать для получения герметичных отливок из серого чугуна с более высокими механическими и технологическими характеристиками, чем без вибрационной обработки.

Разработан аппаратно-программный измерительный комплекс, обеспечивающий измерение различных аналоговых сигналов и программное обеспечение для сбора и обработки данных (сглаживание, дифференцирование данных). С целью повышения информативности усовершенствован метод обработки данных дифференциально-термического анализа, предложена методика построения дифференциальных термограмм

В промышленных условиях опробована технология получения герметичных отливок из чугуна марки СЧ 20, основанная на внешнем воздействии вибрацией. Данная технология позволяет в ряде случаев отказаться от необходимости применения чугуна с низким содержанием углерода и фосфора для получения герметичных отливок с сохранением параметров герметичности на требуемом уровне.

На защиту выносятся.

1. Результаты исследований влияния вибрации на герметичность, механические, эксплуатационные свойства, микро- и макроструктуру отливок из серого чугуна.

2. Методика прогнозирования размеров и формы графитных включений на основе данных дифференциально-термического анализа.

3 Результаты исследований по определению оптимальных режимов вибрации с целью повышения герметичности отливок из серого чугуна.

Достоверность полученных результатов достигалась: корректностью постановки решаемых задач; применением современных технических средств и методик исследования; применением аппарата математической статистики для обработки результатов экспериментов и их сравнительном анализе с результатами других авторов

Личный вклад автора.

Автору принадлежит научная постановка задач исследования, создание аппаратно-программного измерительного комплекса, проведение испытаний по изучению комплекса технологических и механических свойств серых чутунов в зависимости от режима вибрационной обработ-

ки расплава в процессе затвердевания, обработка и анализ полученных результатов, проведение численных расчетов на ЭВМ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь- проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2002); на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства» (Барнаул, 2002); на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства» (Барнаул, 2003); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2004 г.); Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука третье тысячелетие» (Красноярск, 2004);

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в публикациях, в том числе в 3 статьях центральной печати и 7 тезисах и материалах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав. 2-х приложений и списка литературы Материалы изложены на 160 страницах, содержат 7 таблиц, 51 рисунок. Список литературы составляет 126 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен обзор литературных данных современной практики получения отливок из чугуна с заданными параметрами герметичности, а также показано влияние различных технологических факторов' на герметичность чугунных отливок. Наибольшей герметичностью обладают отливки из чугуна с низким содержанием углерода. Исследования других авторов показали, что на герметичность чухунных отливок оказывает влияние количество графита в структуре, его размер, форма и расположение, плотность матрицы, содержание газов, наличие микро- и макро-пор.

В литейной практике наиболее часто для получения чугунного литья с высокой герметичностью приходится использовать чугуны с малым содержанием углерода и фосфора, для повышения герметичности используются добавки меди. Особые требования предъявляются к жидкому состоянию чугунов, скорости охлаждения в форме, условиям дегазации и модифицирования.

Показано, что одним из способов воздействия на структуру и свойства чугуна является применение вибрационной обработки затвердевающего

расплава Несмотря на то, что накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал по проблеме вибрационного воздействия на расплав, отсутствуют рекомендации по оптимальным режимам вибрации Есть неясные моменты в механизме воздействия вибрации на структуру и свойства чугуна, кинетику протекания тепловых процессов при его затвердевании.

На основании анализа и обобщения литературных данных и патентных источников сделаны выводы и поставлены цели и задачи исследования.

Во второй главе приведена методика проведения исследований. Объектами исследований были серые чугуны марки СЧ 20 (ГОСТ 141285), выплавленные в двух различных плавильных агрегатах.

Плавки чугуна проводили в коксовой вагранке, производительностью 10 т/ч, оборудованной стационарным копильником и в индукционной печи ИСТ-0,16.

Химический состав исследуемых чугунов представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав чугуна

Плавильный агрегат С,% 81, % Мп, % Сг, % N1, % Р,% 8,%

Коксовая вагранка 3,36 1,93 0,61 0,03 0,16 0,106 0,067

Индукционная печь 3,38 2,05 0,64 0,17 0,19 0,094 0,033

Механические свойства исследуемых образцов определялись согласно ГОСТ 27208-87. Твердость определяли в сечении горячего спая термопары и на удалении 5, 10 и 15 мм от нее, в зависимости от толщины полученного образца. Для испытаний на временное сопротивление разрыву вырезались стандартные образцы из проб диаметром 30 мм и длиной 340 мм, отливаемых в вертикальном положении. Для определения плотности металла использовали метод гидростатического взвешивания.

Испытания на герметичность выполнялись в условиях ОАО «Алтайский завод топливных насосов» (г! Барнаул). Для испытания герметичности чугунов использовался герметометр, предназначенный для определения герметичности серого чугуна различных марок, а также любых других материалов при одностороннем давлением до 100 МПа. Герметичность определяется как отношение минимального давления, при котором происходит просачивание керосина, к квадрату толщины образца На приборе можно подвергать испытанию на герметичность как образцы, вырезанные из стандартных проб, так и образцы, взятые непосредственно из отливок.

Усадочные процессы в чугунах исследовали на цилиндрических образцах диаметром 30 мм и длиной 300 мм, заливаемых в песчано-глинистую форму при горизонтальном положении образца в форме, с помощью специальной установки, основными элементами которой являлись датчик малых перемещений и вольфрам-рениевые термопары, установленные по оси образца.

Для исследования влияния вибрации на свойства чугуна по высоте отливки использовали песчано-глинистую и металлическую пробы диаметром 20 и 30 мм соответственно и высотой 300 мм.

Для исследования влияния вибрации на процессы кристаллизации, строение и свойства чугунов использовали инерционный вибратор, обеспечивающий ступенчатое регулирование частоты вибрации (/) в 10, 20, 25, 50 и 100 Гц с амплитудой (а) от 0,1 до 1,25 мм в вертикальной плоскости Амплитуду вибрации определяли по вибрирующей плите при помощи микрометра.

Микроструктуру исследовали на микроскопе МИМ-8М. Дополнительно в исследованиях был использован металлографический инвертированный микроскоп МЕТАМ ЛВ-31, снабженный адаптером типа VA-F3-01 и цифровой фотокамерой COOLPIX 990. Определение размеров структурных составляющих производили с помощью программного обеспечения микроскопа и пакета прикладных программ для металлографических исследований SIAMS 600.

Третья глава посвящена созданию автоматизированного измерительного комплекса, разработке программного обеспечения для определения параметров кристаллизации литейных сплавов и совершенствованию методики термического анализа.

Созданная автоматизированная установка совмещает конструктивные элементы, позволяющие реализовать сбор первичной информации от датчиков практически любого типа, реализует термический анализ с возможностью дифференцирования температурной кривой. Функционально измерительный комплекс состоит из комплекта первичных датчиков, ус-I танавливаемых на технологический объект, УВК на базе ПЭВМ типа

IBM РС и контроллеров типа ICP CON фирмы Advantech. Данные модули имеют высокую скорость измерения для каждого из каналов (10-100 изм./сек), возможность соединения по соответствующему интерфейсу с ЭВМ. Управление работой комплекса осуществляет ПЭВМ типа IBM РС на основе разработанного программного обеспечения.

При совершенствовании методики термического анализа решались две задачи: разработка методики проведения термического анализа на образцах с различными условиями теплоотвода для получения статистических данных о происходящих процессах; разработка более детальной расшифровки термических и дифференциальных кривых охлаждения.

Решение первой задачи вызвано необходимостью сопоставления дифференциальных термограмм, снятых в различных частях отливки и, следовательно, при различных скоростях охлаждения локальных объемов чугуна, с целью построения регрессионных моделей. Предложен переход к безразмерной величине (dT/dr)/(-V900), где - V,)uo - скорость охлаждения при 900 °С, которая для чугунов имеет тесную связь с общим временем охлаждения отливки в форме.

5 2

Г

I о

t-1

о

I-.

-з

8в

-5 350

300

250

| 200 Ф

8" 150

100 so о

1 1 1 \1147\ | 727

1 1 [ю- 5П4' Л11

£1-- -Л.

121, s J1 9'

\ V 6'

\ 1 'З'

1 \ 1 9 Y

1 1 1 ,7

1 1 Г 0

1 1 в

1 1 I X

12

Хг 1

1400 1300 1200

1100 1000

900

BOO 700 600 температура, °С

Рисунок 1 - Внешний вид дифференциальной термограммы с указанием характеристических точек

Тепловые эффекты при различных механизмах образования графита в разной степени компенсируют естественное охлаждение отливок. Так как дифференциальные кривые охлаждения являются более чувствительными индикаторами кристаллизационных процессов, чем термограммы охлаждения, то в работе с помощью определения положения на них характеристических точек оценивали кинетику выделения отдельных фаз.

В главе приводится подробная методика расшифровки и анализа дифференциальных термограмм применительно к доэвтектическим чугу-нам.

В четвертой главе приведены результаты исследовании влияния вибрационного воздействия на параметры кристаллизации серых чугу-нов, их структуру и механические свойства

Результаты исследований влияния вибрации на плотность и твердость чугуна при литье в иесчано-глинистую форму представлены на рисунке 2. При вибрационном воздействии для всех экспериментов на пробах, залитых в песчано-глинистые формы, наблюдали повышение плотности чугуна. Максимальное увеличение плотности на 0,8-0,9% получено при вибрации с ускорением 15-30 м/с2.

) II

Рисунок 2 - Влияние амплитуды (а), частоты (б) и ускорения (в) вибрации на твердость (/) и плотность (II) чугуна при литье в песчано-глинистую форму (--вагранка,----индукционная печь)

Экспериментально установлено, что плотность исследованных чугу-нов в верхней части пробы диаметром 30 мм, полученных без вибрации, на 3,1-3,6% ниже, чем в ее нижней части. Вибрация снижает эту разницу. Для чугунов, выплавленных в вагранке и в индукционной печи, минимальная разница в плотности по высоте образца получена при ускорениях вибрации в 15,1 м/с2 (разница 2,8 и 2,4% соответственно). Для чугунов ваграночной плавки наблюдается второй оптимум при ускорениях 98,6 м/с2 с разницей в плотности в 2,9%. Наличие второго оптимума связано с изменением размера и формы графитных включений в чугуне -переход от пластинчатой криволинейной формы графита к гнездообраз-ной. Дальнейшее увеличение ускорения вибрации свыше 100 м/с2, хотя и сопровождается уменьшением длины графитных включений, но приводит к повышению газовой пористости. Рост газовой пористости обусловлен захватом пузырьков газа в момент кристаллизации. В процессе затвердевания сплава при режиме вибрации отливки, когда ускорение вибрации значительно превышает ускорение свободного падения, масса жидкого сплава, поочередно отрываясь полностью или частично от поверхности твердой фазы, запрессовывает при каждом ударе частицы газа в межкристаллические пространства, перекрывая их сверху выпадающими из жидкой фазы мелкими кристаллами.

На основе математических методов оптимизации по экспериментальным данным для отливок с приведенным размером 7,5 мм найден оптимальный режим вибрации: амплитуда - 1,08 мм; частота - 23 Гц (оптимальная скорость вибрации 0,16 м/с; оптимальное ускорение 22,5 м/с2).

При литье в металлическую форму образцов диаметром 20 мм при ускорении вибрации 49,3-74,0 м/с плотность чугуна повышается на 11,2%. Оптимизация экспериментальных данных дала следующий режим вибрации: амплитуда - 0,64 мм; частота - 48 Гц (оптимальная скорость вибрации 0,19 м/с; оптимальное ускорение 58,2 м/с2). С увеличением скорости охлаждения отливки значение оптимальной частоты вибрации увеличивается, а значение оптимальной амплитуды - уменьшается. Оптимальная частота вибрации при литье в кокиль лежит в интервале 49,374,0 Гц, которая обеспечивает увеличение твердости на 11,8% для ваграночного чугуна и на 13,3% чугуна, выплавленного в индукционной печи.

На рисунке 3 приведены результаты исследований влияния вибрации на размер графитных включений и величину временного сопротивления разрыву чугуна при литье в песчано-глинистую форму.

Установлено, что обработка чугуна вибрацией с ускорением в интервале 11,8-15,6 м/с2 влияет на Од и повышает ее значение на 14,7-16,1% Причем на ваграночный чугун, с точки зрения повышения о& вибрация оказывает большее влияние, чем на чугун, полученный в индукционной печи. Данный факт объясняется тем, что с% нелинейно зависит от величины эвтектического зерна и при увеличении его площади более 0,02 мм2, наблюдается резкий рост ая, а за счет вибрации в ваграночном чугуне происходит изменение структуры матрицы в большей степени, чем у чугуна, полученного в индукционной печи.

Рисунок 3 - Влияние амплитуды (а), частоты (б) и ускорения (в) вибрации на длину графитных включений (/) и величину

временного сопротивления разрыву (//) чугуна при литье в песчано-глинистую форму (--вагранка,----индукционная

печь)

Известно, что предусадочное расширение чугунов тесно связано с размером графитных включений. Под действием вибрации у всех исследуемых чугунов наблюдается снижение предусадочного расширения с 0,15-0,20% до 0,10%. Максимальное снижение наблюдается для ваграночного чугуна, минимальное для чугуна, выплавленного в индукционной печи. Исследования предусадочного расширения чугуна показали, что его величина определяется морфологией графита. Форма графита меняется от пластинчатой завихренной до гнездообразной, снижается толщина и протяженность графитных включений. В целом под воздействием вибрации величина предусадочного расширения снижается на 50%. В экспериментах установлена корреляция между временем окончания предусадочного расширения и окончанием эвтектического превращения в центре отливки.

Установлено, что наложение на форму вибрации с ускорениями порядка 5-15 м/с2 приводит к измельчению размеров включений графита. Наиболее благоприятное влияние на измельчение графита оказывает вибрация с амплитудой вибрации 0,1-0,12 мм и частотой 10-12 Гц. Использование вибрации с амплитудой более 0,5 мм и частотой свыше 20 Гц не приводит к дальнейшему уменьшению размеров графитных включений.

На рисунке 4 представлены результаты исследования режимов вибрации на герметичность чугунов при литье в песчано-глинистые и металлические формы. Максимальная герметичность чугунов экспериментально получена при величине ускорения вибрации 11,8 м/с2 и 15,6 м/с2 для песчаной и металлической форм соответственно.

Дальнейшее увеличение амплитуды и частоты вибрации приводит к снижению герметичности, а при значениях ускорения 295,8 м/с2 герметичность начинает снижаться При литье в металлическую форму при максимальном ускорении получен результат, при котором герметичность обработанного вибрацией чугуна оказалась хуже исходного значения.

Таким образом, наложение вибрации оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства чугуна. В зависимости от режима вибрационной обработки (частоты и амплитуды) изменяется процесс формирования структуры литого изделия. Значения оптимальных частот и амплитуд вибрации зависят от скорости затвердевания отливки.

Чем выше скорость затвердевания отливки в форме, тем большая частота и меньшая амплитуда будет являться оптимальной. Оптимальные режимы вибрационного воздействия для различных технологических и эксплуатационных свойств и структуры серых чугунов отличаются друг от друга. При оптимизации режимов вибрационной обработки чугунов необходимо также учитывать условия плавки. Таким образом, при разработке технологии изготовления отливок с применением вибрации необходимо учитывать, по какому из параметров требуется оптимизировать свойства отливок, и в соответствии с этим параметром выбирать режим вибрации.

10 15 20 25 Л) 35 40 45 укоренив 9ибрящи, н/с*

I

Рисунок 4 - Влияние амплитуды (а), частоты (б) и ускорения (в) и вибрации на герметичность чугуна при литье в песчано-глинистую (/) и металлическую (II) формы (--вагранка,----индукционная печь)

В пятой главе приведены результаты исследования влияния вибрации на процессы кристаллизации серых чугунов с помощью усовершенствованного метода дифференциально-термического анализа и выявления зависимостей между параметрами термограмм и структурой чугунов.

С помощью усовершенствованного метода дифференциально-термического анализа было исследовано влияние вибрации на кинетику протекания тепловых процессов при затвердевании серого чугуна.

Анализ процесса затвердевания в опытных отливках показал, что в условиях вибрации значительно интенсифицируется процесс зарождения кристаллов в расплаве, их рост. Кристаллизация первичных фаз под действием вибрации начинается при большем переохлаждении, чем в обычных условиях. В металлических формах, несмотря на то, что выделение первичного аустенита и эвтектическое превращение носит последовательный характер, тепловые параметры процессов накладываются друг на друга, так что эвтектические превращения начинаются в наружных слоях отливки до того, как кристаллизация первичного аустенита закончилась в центре.

Образцы дифференциальных термограмм и фотографии структур чугунов, полученных в непосредственной близости от термопары, приведены на рисунке 5.

воо

/ммперлтур*

Рисунок 5 - Дифференциальные термограммы для ваграночного чугуна марки СЧ20 залитого в песчано-глинистую форму, исходного (а) и обработанного вибрацией с частотой 50 Гц и амплитудой 0,75 мм (б) (х 100).

Определенные режимы вибрации, одновременно с увеличением значения переохлаждения чугуна, изменяют микроморфологию эвтектического зерна, повышая тенденцию к образованию лучисто-перистого или лучисто-сферолитного строения колонии. Выделения графита, при этом, размельчаются и разветвляются, а при больших переохлаждениях по форме начинают приближаться к шаровидным.

Выделение вторичных фаз происходит аналогично первичным, причем динамика выделения первичных фаз накладывает отпечаток на кинетику выделения вторичных При вибрационном воздействии растет величина переохлаждения при эвтектоидном превращении

Анализ продвижения фронта затвердевания в горизонтальной и вертикальной плоскостях показал, что его скорость, в зависимости от параметров вибрации, возрастает в вертикальной плоскости на 15-25%, в горизонтальной плоскости на 5-8% Это существенно изменяет тепловой режим работы верхних частей отливки.

Экспериментально установлена связь между максимальным значением второй производной на участке кристаллизации эвтектики серого чугуна с такими показателями его структуры, как число эвтектических зерен и длина включений графита (рисунок 6)

Рисунок б - Связь максимального значения второй производной на участке эвтектического превращения в чугуне с числом эвтектических зерен и длиной графита

В процессе исследований установлено, что при вибрационном воздействии на затвердевающий расплав газовая и усадочная пористости снижаются, и факторами, определяющими герметичность, становятся размер графита и его форма. Экспериментально показано, что оптимальные режимы вибрации зависят от скорости охлаждения отливки в форме. Максимальная герметичность чугуна достигается строю определенными режимами вибрации, которые обеспечивают максимальное снижение пористости в отливке, уменьшение размеров графитных включений и повышение прочностных показателей.

Полученные результаты в виде дифференциальных термограмм являются банком данных для управления процессом формирования первичной структуры чугуна с применением ЭВМ.

На основании экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между параметрами эвтектической кристаллизации и количественными оценками формирующейся структуры, механическими и эксплуатационными свойствами чугуна получены уравнения регрессии,

позволяющие по характерным точкам дифференциальной термограммы делать количественный прогноз как при затвердевании чугуна в обычных условиях, так и при наложении внешних воздействий.

Модель, позволяющая рассчитать величину включений графита в чугуне, имеет следующий вид (в мкм):

=228,84 + 42,484 (1ТЮ -63,768-с1Тыг + 8,315 • ¿Я;,,3 +23,336 с!Тю', (1)

где (¡Тю~ значение производной в характерной точке 10 дифференциальной термограммы.

Уравнение для определения временного сопротивления разрыву (в МПа):

Од = 34175-33,4252 %СЕ+ 443 99- а+0,711-/-21,2287-а2-0,00712/2 (2)

Герметичность серого чугуна может быть рассчитана на основе следующего регрессионного уравнения (в МПа/см2):

Г = 119,8278 - 22,8089 ■ %СЕ + 40,6053 ■ а + 0,9324 ■ /

- 22,6478 ■ а2 - 0,01003 ■ /' +11,278- Ьп(Уш). (3)

Полученные уравнения были применены при расчете оптимальных параметров вибрации с целью повышения герметичности промышленных отливок в условиях ОАО «Алтайский завод топливных насосов» на отливках из сплава СЧ 20, СЧ 25, изготавливаемых в песчано-глинистых формах. Вибрационная обработка производилась с частотами 49; 59 Гц и амплитудами 0,47; 0,1 мм соответственно. Результаты сравнения отливок, полученных при вибрационном воздействии с исходными отливками, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов, отлитых в условиях ОАО «Алтайский завод топливных насосов»_ _

Показатель Исходные параметры Параметры при вибрационном воздействии

сгв, МПа 210-235 240-265

Г, МПа/см2 6,0-6,5 8,0-8,2

р, кг/м3 7100-7120 7180-7200

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Вибрация является эффективным внешним воздействием на кристаллизацию серых чугунов. Под действием вибрации повышается твердость на 8-10%, увеличивается временное сопротивление разрыву на 10-12%, наблюдается уменьшение размера пластин графита с 250-290 мкм до 100-120 мкм В результате улучшения питания отливки возрастает плотность чугуна на 1,0-1,2%.

2. Установлено, что чугун индукционной плавки обладает на 15-20% большей герметичностью, чем чугун того же химического состава, выплавленный в вагранке.

3. Разработана методика прогнозирования размера графитных включений на основе данных дифференциально-термического анализа в зависимости от скоростей охлаждения в характерных точках дифференциальной термограммы.

4. Определен оптимальный диапазон (f=20-30 Гц, а=0,15-0,30 мм) режимов внешнего воздействия вибрацией для повышения герметичности и прочностных свойств отливок из серого чугуна, с приведенным размером 5-7,5 см. При оптимальном режиме выявлено, что временное сопротивление разрыву увеличивается на 15-20%, герметичность возрастает с 3,0-4,0 МПа/см2 до 6,0-7,0 МПа/см2.

5. Промышленное опробование результатов исследований в условиях ОАО «Алтайский завод топливных насосов» показало, что применение технологии вибрационной обработки серого чугуна позволило увеличить герметичность опытной партии отливок на 60-80%.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Измерительный комплекс для контроля параметров производства литых изделий / А.И Куценко, И.Ф. Селянин, P.M. Хамитов, C.B. Морин // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства: Сб. научн. тр. / Под ред. д т.н, профессора В А. Маркова и д.т.н., профессора A.M. Гурьева - Вып.4 - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002 - С. 183.

2. Применение измерительного комплекса при производстве литых валков в условиях ОАО «КМК» / А.И. Куценко, И.Ф. Селянин, P.M. Хамитов, C.B. Морин // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства: Сб. научн. тр. / Под ред. д.т н, профессора В.А. Маркова и д.т.н., профессора А.М. Гурьева - Вып.4 - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002 -С. 184.

3. Численное моделирование теплоемкости сплава по результатам натурного эксперимента / А.И. Куценко, И.Ф Селянин, C.B. Морин, P.M. Хамитов // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства: Сб. научн тр / Под ред. д т.н, профессора В.А Маркова и д.т.н., профессора A.M. Гурьева - Вып.4 - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002 - С. 185.

4. К вопросу о применении метода статистического анализа при производстве литых валков / Куценко А.И., Хамитов P.M. // Ползунов-ский альманах -Барнаул. -АлтГТУ. - 2003 -№3-4. -С.76.

5 Статистическая обработка данных по производству литых валков на ОАО «КМК» / Куценко А.И., Тимонин С А., Селянин И.Ф., Морин C.B., Хамитов P.M. // Заготовительное производство в машиностроении. Машиностроение. - 2004. - №4. - С 19-23

6. Влияние термовременной обработки расплава и шихтовой заготовки на стойкость чугунных прокатных валков I P.M. Хамитов, А И Куценко // Заготовительное производство в машиностроении Машиностроение. - 2004. - №7. - С.5.

7. Исследование влияния вибрации на тенлофизические процессы кристаллизации литейных сплавов./ И.Ф. Селянин, А.И. Куценко, P.M. Хамитов, C.B. Морин, О.Г. Приходько // Межрегиональная научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, СИБУИ.- Красноярск 2004- с.226

8. Контактное взаимодействие отливка-форма под действием вибрации./ И.Ф. Селянин, А.И. Куценко, C.B. Морин, P.M. Хамитов, О.Г. Приходько // Всероссийская научная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. / Под общей ред. Кулакова С. M / СибГИУ. - Новокузнецк, 2004, - Вып. 8. - С.152-153.

9. Исследование влияния вибрации на герметичность отливок из серого чугуна / P.M. Хамитов, А.И. Куценко // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства- Сб. научн. тр. / Под ред. д.т.н, профессора В.А. Маркова и д.т.н., профессора A.M. Гурьева - Вып.4 - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004 - С.234

10. Определение размера и формы графита в чугуне на основе дифференциально-термического анализа / P.M. Хамитов, А.И. Куценко // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства: Сб. научн. тр. / Под ред. д.т.н, профессора В.А. Маркова и д.т.н., профессора A.M. Гурьева -Вып.4 - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004 - С.235.

Изд. лиц № 01439 от 05.04 2000 г. Подписано в печать 25 11 2004 г. Формат бумаги 60x80 1/16. Бумага писчая Печать офсетная Усл. печ. л. 1,10 Уч. - изд. л. 1,24 Тираж 100 экз. Заказ

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42 Издательский центр СибГИУ

РНБ Русский фонд

2006-4 3058

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1 Герметичность отливок из серого чугуна.

1.2 Воздействие внешних полей при кристаллизации металлических расплавов.

1.3 Выводы по состоянию вопроса и задачи работы.

2. Методика исследований.

2.1 Общий план исследований.

2.2 Методика исследования литейных и механических свойств.

2.2.1 Условия плавки и заливки.

2.2.2 Механические свойства.

2.2.3 Линейная усадка.

2.2.4 Исследование микроструктуры сплавов.

2.2.6 Исследование плотности и герметичности.

2.2.7 Макроанализ строения металлов.

2.3 Исследование влияния вибрации на кристаллизацию сплавов.

2.4 Методика сбора и обработки данных.

Глава 3. Разработка микропроцессорного измерительного комплекса для термического анализа.

3.1 Методика и техника измерений температур при контроле и исследовании литейных процессов.

3.2 Аппаратные средства измерительного комплекса.

3.3 Программные средства измерительного комплекса.

3.4 Совершенствование методики термического анализа чугуна.

3.4.1 Правила построения дифференциальных термограмм и описание характерных точек на графиках.

4. Результаты исследований.

4.1 Металлографические исследования.

4.2 Исследование плотности сплава.

4.4 Исследования механических свойств.

4.5 Исследование усадки и предусадочного расширения.

4.6 Исследование герметичности.

5. Исследование влияния вибрации на кристаллизацию чугуна.

5.1 Влияние вибрации на положение характерных точек на дифференциальных термограммах чугуна.

5.2 Влияние вибрации на кинетику затвердевания отливки.

5.2.1 Влияние вибрации на кристаллизацию первичных фаз.

5.2.2 Влияние вибрации на эвтектическое превращение.

5.2.3 Влияние вибрации на процессы перекристаллизации.

5.3 Оценка влияния вибрации на структуру и свойства серого чугуна в отливках с помощью регрессионных моделей.

5.4 Опытно-производственпая апробация и внедрение результатов исследований.

Одним из важнейших свойств многих отливок является герметичность, под которой понимается способность внутренней части изделия выдержать определенное давление жидкости или газа. Герметичные отливки изготавливают из стали, цветных сплавов или высокопрочного чугуна, что значительно увеличивает стоимость этих отливок. Ряд деталей для гидроаппаратуры, работающих при давлениях 15-20 МПа, изготавливают из серого чугуна с низким содержанием углерода и фосфора. При производстве данного типа отливок повышенные требования предъявляются к качеству исходных шихтовых материалов, условиям плавки металла, методам внепечной обработки расплава.

Большой практический интерес представляет разработка технологии и методов получения герметичных отливок на основе дешевых шихтовых материалов без внепечной обработки расплава. Данный подход позволяет значительно снизить затраты на производство отливок.

Одним из таких методов является вибрация. В связи с этим актуальным является применение технологии вибрационной обработки расплава, которая одновременно позволяет уменьшить размеры графитных включений и воздействовать на усадочные процессы при производстве герметичных отливок из чугуна.

Цели и задачи работы. Исследование и разработка технологии получения герметичных отливок из серого чугуна на основе внешнего вибрационного воздействия на расплав в процессе затвердевания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать воздействие вибрации на механические свойства, микро- и макроструктуру отливок из серого чугуна, а также на усадочные процессы в серых чугунах.

2. Исследовать влияние типа плавильного агрегата на герметичность отливок, получаемых с применением вибрации.

3. Разработать методику прогнозирования воздействия вибрации на размер и форму графита на основе метода дифференциально-термического анализа.

4. Определить оптимальные режимы вибрационного воздействия на затвердевающий чугун с целью повышения механических свойств и герметичности отливок.

5. Практически реализовать результаты исследований с целью улучшения эксплуатационных свойств отливок.

Научная новизна.

1. Определены и исследованы оптимальные режимы вибрационной обработки отливок из серого чугуна, способствующие измельчению графитных включений, устранению газоусадочной пористости, улучшению условий питания и, как следствие, повышению герметичности сплавов в комплексе с другими свойствами.

2. Установлено, что ведущими параметрами при оптимизации процесса вибрационного воздействия являются частота и ускорение вибрации.

3. Установлена взаимосвязь различных режимов вибрации и скорости охлаждения отливки в форме с размерами и формой включений графита, а так же механическими свойствами и герметичностью отливок.

Практическая ценность работы. Воздействие вибрации на кристаллизующийся расплав обеспечивает получение сплавов, обладающих повышенной герметичностью и механическими свойствами. Оптимальные вибрационные режимы можно рекомендовать для получения герметичных отливок из серого чугуна с более высокими механическими и технологическими характеристиками, чем без вибрационной обработки.

Разработан аппаратно-программный измерительный комплекс, обеспечивающий измерение различных аналоговых сигналов и программное обеспечение для сбора и обработки данных (сглаживание, дифференцирование данных). С целью повышения информативности усовершенствован метод обработки данных дифференциально-термического анализа, предложена методика построения дифференциальных термограмм.

В промышленных условиях опробована технология получения герметичных отливок из чугуна марки СЧ 20, основанная на внешнем воздействии вибрацией. Данная технология позволяет в ряде случаев отказаться от необходимости применения чугуна с низким содержанием углерода и фосфора для получения герметичных отливок с сохранением параметров герметичности на требуемом уровне. На защиту выносятся.

1. Результаты исследований влияния вибрации на герметичность, механические, эксплуатационные свойства, микро- и макроструктуру отливок из серого чугуна.

2. Методика прогнозирования размеров и формы графитных включений на основе данных дифференциально-термического анализа.

3. Результаты исследований по определению оптимальных режимов вибрации с целью повышения герметичности отливок из серого чугуна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Вибрация является эффективным внешним воздействием на кристаллизацию серых чугунов. Под действием вибрации повышается твердость на 8-10%, увеличивается временное сопротивление разрыву на 10-12%, наблюдается уменьшение размера пластин графита с 250-290 мкм до 100-120 мкм. В результате улучшения питания отливки возрастает плотность чугуна на 1,0-1,2%.

2. Установлено, что чугун индукционной плавки обладает на 15-20% большей герметичностью, чем чугун того же химического состава, выплавленный в вагранке.

3. Разработана методика прогнозирования размера графитных включений на основе данных дифференциально-термического анализа в зависимости от скоростей охлаждения в характерных точках дифференциальной термограммы.

4. Определен оптимальный диапазон ^=20-30 Гц; а=0,15-0,30 мм) режимов внешнего воздействия вибрацией для повышения герметичности и прочностных свойств отливок из серого чугуна, с приведенным размером 5-7,5 см. При оптимальном режиме выявлено, что временное сопротивление разрыву увеличивается на 15-20%, герметичность возрастает с 3,0-4,0 МПа/см2 до 6,0-7,0 МПа/см2.

5. Промышленное опробование результатов исследований в условиях ОАО «Алтайский завод топливных насосов» показало, что применение технологии вибрационной обработки серого чугуна позволило увеличить герметичность опытной партии отливок на 60-80%.

1. Исследование процесса получения здоровых корпусных станочных отливок и отливок гидравлических систем. -Очет ОПИ, 1962. -150 с.

2. Получение герметичных чугунных отливок гидроаппаратуры с литыми каналами. Обзор. -М., 1973. -51 с.

3. Исследование герметичности чугунных отливок для компрессоров холодильных машин. Отчет ОПИ. -Одесса, 1968. -42 с.

4. Исследования герметичности литейных сплавов. /Сб. "Труды первого совещания по литейным свойствам сплавов". -Киев: Наукова думка, 1968.-57 с.

5. Hermetic Cast // Maschine Design, США, 1970, T -29.

6. Влияние углерода и кремния на пористость чугунных цилиндровых втулок для дизелей. // Вестник машиностроения, 1969, -102 с.

7. Свойства элементов. Справочник /Под редакцией М.Е.Дрица- М.: ^ Металлургия, 1985. -672 с.

8. Колесниченко А.Г., Дубинин A.B. О герметичности серых чугунов // Литейное производство, 1979, 12-с. 18-20.

9. Постников Н.С. Высокогерметичные алюминиевые сплавы / Н.С.Постников М.: Металлургия, 1972. - 160 с.

10. Бочвар A.A. Свидерская В.А. Зависимость герметичности сплавов от интервала кристаллизации // Литейное дело. — 1940. №11-12. - С. 29.

11. Глазунов С.Г. Технологические свойства литейных алюминиевых сплавов / С.Г. Глазунов, С.И. Спектрова. М.: Оборонгиз, 1950. - 180 с.

12. Эскин Г.И. Точное литье деталей авиационных агрегатов из алюминиевых сплавов / Г.И. Эскин, В.И. Слотин, С.Ш. Кацман. М.: Машиностроение, 1967. - 147 с.

13. Постников Н.С. Герметичность литейных алюминиевых сплавов / Н.С. Постников, А.З. Захаров // Литейное производство. 1964. - №12. -С. 32-34.14,15,16,17,18,19