автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Оптимизация металлургических, конструкторских и технологических факторов с целью повышения герметичности и надежности литых деталей из чугуна, работающих в машиных под высоким давлением

РГб ОА

У У Г>Н I- ■ На правах рукописи

ДРЕЙЗИН Лазарь Семенович

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ, КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЧУГУНА, РАБОТАЮЩИХ В МАШИНАХ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05 Л 6.04 - Литейное производство

Автореферат

ч на соискание ученой степени дата технических наук

инбург - 1998

На правах рукописи

ДРЕЙЗИН Лазарь Семенович

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ, КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЧУГУНА, РАБОТАЮЩИХ В МАШИНАХ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена в АООТ «Уральский компрессорный завод».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации ЧУРКИН Б. С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

ФУРМАНЕ. Л.;

кандидат технических наук, доцент ПОЛЬ В. Б.

Ведущее предприятие - Научный центр РФ ОАО «Уральский институт металлов».

Защита диссертации состоится « г ] 998 г.

в_ч_мин на заседании диссертационного совета Д063.14.01 по

присуждению ученых степеней доктора и кандидата технических наук при Уральском государственном техническом университете -УПИ (третий учебный корпус, ауд. Мт-509).

Ваш отзыв, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 620002 г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю совета института, тел.44-85-74. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ -

УПИ.

М

Автореферет разослан « и /> я^сУх //¿¡мл 998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д063.14.01, доктор

р^ЧЭ. VI, о

технических наук, профессор ^¡И^т Шумаков Н. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Материальной основой технического перевооружения народного хозяйства является машиностроение, главной задачей которого является обеспечение всех отраслей высокоэффективными машинами и оборудованием. На современном этапе развития производства в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве получило широкое и разнообразное применение компрессорное оборудование. В настоящее время, в условиях рыночных отношений, имеется потребность в компрессорах для различных отраслей народного хозяйства (нефтегазовая, химическая, авиационная промышленность, энергетика, судостроение, железнодорожный транспорт, военно-промышленный комплекс и др.). Требования к компрессорному оборудованию повышаются в связи с возрастающими требованиями к гидравлическим и пневматическим системам, устройствам и аппаратам, работающим на повышенных скоростях и силовых режимах, в условиях высоких давлений жидкостей и газов. Это вызывает необходимость высоких технических требований, предъявляемых к деталям компрессоров.

В современных компрессорных установках масса литых деталей составляет 60-80 % от общей массы деталей. К литым деталям для компрессоров предъявляется ряд специфических требований по структуре, физико-механическим свойствам, чистоте по неметаллическим включениям и др. Особенно высокие требования предъявляются к отливкам по плотности и герметичности. Высокие технические требования к литым деталям для компрессоров высокого давления требуют решения ряда научно-технических задач по разработке и внедрению в производство эффективных способов получения литых деталей высокой герметичности и надежности. Несмотря на то, что по вопросам герметичности отливок имеются некоторые теоретические разработки и производственный опыт заводов, в настоящее время требуется дальнейшее исследование этой важной характеристики чугуна. Получение герметичных литых деталей со стабильными эксплуатационными характеристиками является актуальной проблемой литейного производства. Как в отечественной, так и в зарубежной научно-технической литературе недостаточно сведений об оптимальном комплексе условий, обеспечивающих в процессе изготовления литой детали высокие герметические характеристики. Изучение причин негерметичности литых деталей показало, что они обусловлены металлургическими, конструкторскими и технологическими факторами и требуют дифференцированного подхода к изучению каждого типа отливок. При этом за основу теоретических и экспериментальных исследований целесообразно принимать отливку со всем комплексом присущих ей особенностей.

В настоящее время при значительных потерях от брака литых деталей непроизводительные издержки производства достигают больших величин. По имеющимся данным на предприятиях компрессорного и холодильного машиностроения брак чугунных литых деталей по негерметич-

ности составляет 50-56 % от общего брака отливок. Поэтому повышение герметичности литых деталей из чугуна, работающих в машинах под высоким давлением, снижение потерь от брака рассматриваются как один из значительных факторов повышения производительности труда и рентабельности литейных цехов за счет использования внутренних резервов и повышения технического уровня производства.

Это особенно актуально в современных условиях, когда повышение конкурентоспособности изделий определяет их выход на внутренний и внешний рынки. Повышение герметичности литых деталей из чугуна представляет сложную задачу и требует проведения целого комплекса исследовательских работ. 1

Цель работы. Целью диссертации является повышение надежности и конкурентоспособности машин, в том числе компрессоров, путем обеспечения высокой герметичности литых деталей из чугуна.

В настоящей работе рассмотрены некоторые наиболее важные вопросы, имеющие научное и практическое значение в производстве ответственных отливок. Имея в виду разработку оптимальных условий изготовления качественных литых деталей из чугуна для компрессоров высокого давления, диссертационная работа включает в себя решение следующих задач:

• на основе уточнения и дальнейшего развития методики исследования изучить влияние структуры чугуна на герметические характеристики литых деталей;

• исследовать влияние на герметичность литых деталей из чугуна:

- некоторых металлургических факторов (шихтовые материалы, модифицирование и легирование чугуна, способы плавки и др.);

- наиболее существенных технологических факторов (тип литейной формы, подвод жидкого металла в литейной форме, поверхностное микролегирование и др.);

- конструкторских факторов и напряженного состояния литых деталей;

• предложить мероприятия по повышению герметичности литых деталей из чугуна и методы по объективному ее контролю.

Диссертация направлена на повышение качества литых деталей и; чугуна, надежности и долговечности машин, работающих под высоки» давлением, а также на улучшение технико-экономических показателей работы литейных цехов машиностроительного комплекса.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получит) следующие новые научные результаты и положения, которые выносятс! автором на защиту:

• количественная оценка влияния химического состава и структурь чугуна на герметичность литых деталей;

• методология комплексного воздействия на структурообразовани чугуна с целью повышения его герметичности;

• методика прогнозирования герметичности отливок и оптимизации металлургических конструкторских и технологических факторов;

• принципы обеспечения технологичности конструкции отливок с точки зрения их герметичности;

• закономерности влияния напряженного состояния и внутренних напряжений в отливке на герметичность литых деталей из чугуна;

• методика обеспечения заданного уровня герметичности по всей поверхности и зонам отливки, имеющим разную толщину стенок, с использованием разработанных автором покрытий и микролегирования чугуна;

• методика расчета и конструирования литниковых систем, ориентированных на обеспечение заданной структуры и герметичности литых деталей из чугуна.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• разработан комплекс мероприятий, включающий прогрессивные технологические процессы индукционной плавки, электрошлакового переплава чугуна, применение металлических и оболочковых литейных форм, поверхностного микролегирования и легирования чугунных отливок, применение специальных конструкций литниковых систем, позволяющих при внедрении их на заводах компрессорного машиностроения значительно повысить герметические характеристики и надежность литых деталей из чугуна;

• разработаны и» внедрены в производство рекомендации по конструированию чугунных отливок с высокими герметическими характеристиками;

• усовершенствованы научно обоснованные методы и оборудование цля контроля герметичности чугунных отливок, разработана и внедрена в производство соответствующая техническая документация (инструкции, техпроцессы и др.)

• снижен брак по негерметичности цилиндровой и корпусных групп этливок на 55-60 %.

Реализация работы осуществлялась в ходе выполнения разработанных мероприятий на Уральском компрессорном заводе и других заводах компрессорного машиностроения.

Внедрение мероприятий по повышению герметичности отливок из чугуна позволило снизить себестоимость 1 тонны годных отливок на 6-8 руб. и обеспечить экономический эффект 467 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.). Результаты исследований внедрены на ряде заводов тяжелого и транспортного машиностроения и других заводах машиностроительного комплекса.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 22 конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на 14 Всесоюзных научно-технических конференциях и семинарах и 5 Всесоюзных и региональных конференциях по проблемам качества и надежности в компрессоростроении. Из них наиболее существенными по проблеме герметичности были доклады на ХХИ Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков (г. Харьков, 1967 г.); семинаре по герметическим

свойствам литейных сплавов (г. Одесса, 1967 г.), ХХ1У Всесоюзной науч но-технической конференции литейщиков (г. Свердловск, 1969 г.), научно техническом совете научно-исследовательского института «ВНИИТЕХ МАШ» (г. Сумы, 1969 г.), научно-техническом семинаре «Новейшие дос тижения в кокильном литье» (г. Одесса, 1971 г.), конференции по качеств] отливок из чугуна НПО «Союзкомпрессормаш» (г. Ташкент, 1979 г.), тех нико-экономнческом совете Уральского компрессорного завода «Влияни* металлургических, конструкторских и технологических факторов на гер метичность отливок для компрессоров» (г. Свердловск, 1986 г.), семинар! «Изготовление отливок в металлические формы» (г. Москва, 1987 г.), кон ференции «Прогрессивные технологические процессы и подготовка кадро! для литейного производства»(г. Екатеринбург, 1998 г.), расширенном засе дании Технико-экономического совета АООТ «Уральский компрессорные завод» (г. Екатеринбург, 1998 г.).

Публикация материалов работы. По материалам диссертации опу бликовано 20 работ и получено 3 авторских свидетельства на изобретения За достигнутые успехи по внедрению в производство передовых техноло гических процессов, в том числе по теме диссертации автор награжден тре мя медалями ВДНХ. За успехи в развитии компрессорного машинострое ния он награжден орденами и медалями СССР, грамотой Минхимнефте маша СССР, грамотой Губернатора Свердловской области. За активнук изобретательскую и рационализаторскую работу в области литейного про изводства ему присвоено почетное звание «Заслуженный рационализато] РСФСР» (1973 г.). За успехи по внедрению прогрессивной технологии ав тору присвоено почетное звание «Заслуженный металлург Российской Фе дерации» (1993 г.). За заслуги в деле возрождения науки и экономики Рос сии Президиум Международной академии наук о природе и обществе на градил автора медалью Петра I (1997 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, '. глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложе на на 156 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 10 таб лиц и список литературы в количестве 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована акту альность темы, определена цель исследований, сформулированы основньи положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практиче екая значимость диссертации.

В первой главе дан анализ литературных данных по проблеме герме тичности отливок. Отмечено, что в настоящее время оценку герметичносп проводят либо по отношению Р/х2, где Р - давление, при котором начина ется течь, ах- толщина стенки пробы (методика Н. Г. Гиршовича и А. Г. Алексеева), либо по величине, обратной количеству жидкости ( (см3), проникающей под давлением Р (кг/см2) через слой материала с попе

речным сечением И (см2) и толщиной стенки 8 (см) за время / (ч) (методика Л. И. Смирнова и А. А. Сотникова). По этой методике герметичность определяют на пробах, измеряя количество жидкости Q, проникшей через [фобу за время ?. Герметичность рассчитывается по формуле

о)

п „0,35

Единица герметичности ЕГ

кг-ч

слс* -ст.

Для характеристики герме-

гичности вводится термин «удельная герметичность» Со. Для расчета С0 применяется формула (?0 = Ст/6", где и=3.

Критически рассматривая полученные соотношения, автор считает, что при показателе степени и=3 Со не может характеризовать удельную герметичность. Для характеристики герметических свойств сплавов в диссертации предлагается ввести термин «коэффициент герметичности» С0, который представляет собой герметичность, отнесенную к толщине стенки питой детали, равной 1 см. Он зависит от пористости и структуры чугуна, которые определяются химическим составом, скоростью охлаждения, напряженностью состояния отливки и другими факторами.

Предложенные ранее методики определения герметичности на раз-тачных технологических образцах в ряде случаев не устанавливали связь полученных показателей с герметичностью отливок. Авторами ряда методик использовались различные единицы измерения герметичности, что исключало объективность сравнимости результатов исследований. Отсутствуют комплексные исследования герметичности в зависимости от основных металлургических, конструкторских и технологических факторов, напряженного состояния отливки. В связи с этим нет рекомендаций по оптимизации технологического процесса получения отливок и прогнозированию герметичности.

В работе критически рассмотрен механизм формирования «транзитах пор» в стенке отливки в стадии приложения давления. В чугунной от-тивке, представляющей сложное деформируемое тело, можно выделить гва этапа проникновения рабочей среды через стенку отливки под воздействием давления. На первом этапе путем проникновения рабочей среды в торы отливки формируется давление, изменяющее размеры пор, образуя саналы и трещины в стенке отливки. На втором этапе осуществляется процесс фильтрации рабочей среды через стенку отливки. При этом избыточ-ше давление рабочей среды должно превышать давление Ркр, величина которого зависит от структуры и прочности чугуна, пористости и напряжен-гости состояния отливки. На проницаемость стенки отливки также влияет »держание связанных газов в порах. Они не только уменьшают проход-ше сечения пор, но за счет капиллярного давления в порах увеличивают ивление в них.

Уравнение одномерной ламинарной фильтрации в этих условиях ш применимо, так как в установившихся режимах фильтрации пористость р структура пористой среды по толщине стенки неоднородны, а следова тельно, неоднороден и коэффициент проницаемости Кп=/(х), где х - коор дината слоя в стенке отливки. Введение в формулу (1) вязкости ?;0'35 ш повышает точности определения герметичности и трудно объяснимо физически. Необходимо было уточнить формулы для определения герметичности, усовершенствовать и расширить методику исследования для возможности получения более широкой и объективной информации о влиянии различных факторов на герметичность отливок.

На основе анализа имеющихся данных по герметичности литых деталей из чугуна сформулированы задачи исследования, представленные I общей характеристике диссертации. Основные задачи работы сводятся 1 уточнению и расширению технических возможностей исследования герметичности чугуна, исследованию влияния исходных материалов, химического состава чугуна, модифицирующих и легирующих добавок, условий плавки, заливки, затвердевания отливок, структуры, пористости, поверхностного микролегирования, напряженного состояния литых деталей из чугуна. Решение поставленных в работе задач обеспечивается на основе комплексного исследования металлургических, конструкторских и технологических факторов и оптимизации их влияния на герметичность литых деталей из чугуна.

Во второй главе рассмотрены вопросы методики исследования герметичности отливок из серого чугуна, разработанной в диссертации.

Разработка методики исследования герметичности отливок из серогс чугуна велась в направлениях уточнения конструктивных форм образцов, выбора методов и режимов их испытаний, разработки новых типов технологических проб и имитирующих отливок, статистического анализа результатов контроля и качества литых деталей для компрессоров.

Плотность чугуна (р) определялась гидростатическим взвешиванием. Определение пористости, плотности, структуры, твердости проводились по известным методикам на темплетах диаметром 29,5 мм и толщиной 9 мм. Темплеты изготавливались из любой части технологической пробы или непосредственно из отливки. Кроме того, проверялась твердость на технологических пробах и отливках. Прочность чугуна на изгиб определялась по ГОСТ 27208-87. Испытания прочности на разрыв проводились на образцах, вырезанных из заготовок и непосредственно из проб и отливок по ГОСТ 24648-81. Структура чугуна определялась по шлифам, изготовленным из образцов, технологических проб и отливок.

Для испытания чугуна на герметичность проводилась работа над усовершенствованием конструкции специального образца, так как ранее применяемые образцы имели существенные недостатки. Автором использован образец усовершенствованной конструкции с углом перехода от рабочей к периферийной зоне образца, равной 30-35

Для испытания герметичности применялись герметометры жидкостные (для жидких рабочих сред). Испытания образцов на герметичность осуществлялись по соответствующей инструкции. При испытаниях определялись критическое давление просачивания Ркр, рабочая площадь образца Т7, количество просочившейся жидкости Q и время просачивания жидкости <•. В качестве рабочей жидкости использовался керосин с коэффициентом динамической вязкости 7 = 2,2 спз. По герметичности образцов определялся коэффициент герметичности чугуна различных плавок. Уточнена формула для определения герметичности.

В установившемся режиме фильтрации расход жидкости (д) может быть описан следующим уравнением:

ад.эд {2)

77 11х

В результате интегрирования уравнения (2) получена следующая

формула для герметичности О:

С = ^ = (3)

где физический смысл С выражается формулой |•

о Кг(х)

Из формулы (2) можно установить размерность герметичности. Учитывая, что приборы для измерения давления проградуированы в атм, а фильтрация через стенку отливки развивается медленно, в исследованиях используется практическая единица герметичности «ЕГ». Эта единица герметичности в системе СИ [М-1]. Производная ЕГ: КЕГ=1000 ЕГ. Герметичность (С) отливки связана с коэффициентом герметичности (Ос) уравнением

О = О0-8\ (4)

где 6 - толщина стенки отливки, п - показатель степени.

Обработка экспериментальных данных позволила оценить значение показателя п в уравнении (4): п = 3,25 ± 0,2.

Герметичность испытывалась на специальных технологических пробах. Они были определены, исходя из необходимости получения информации о влиянии на герметичность комплекса металлургических, конструкторских и технологических факторов. Для этих целей использовались стандартные цилиндрические образцы, ступенчатые пробы со ступенчатым распределением толщин стенки; разработанные в диссертации пробы, имитирующие напряженное состояние различных узлов литых деталей для компрессоров. Для имитирующих проб были разработаны схемы приложения напряжений при испытаниях на прочность и герметичность . Технологические пробы для испытания чугуна на герметичность изготовлялись механической обработкой из стандартных образцов или отбирались непосредственно из отливок путем высверливания из различных зон кольцевым сверлом.

Исследование влияния технологических факторов (тип литейной формы, поверхностное микролегирование, случайные отклонения от технологического процесса и т.п.) проводили на образцах из чугуна СЧ21, взятых из ступенчатых проб и имитирующих отливок, залитых в сырые и сухие песчанке формы, оболочковые и металлические формы, с применением облицовок для поверхностного .микролегирования. Чугуны выплавлялись в вагранках и индукционных печах. Параллельно исследовались на герметичность полученные в аналогичных условиях чугунные отливки серийного производства ( цилиндры, гильзы, поршни и др.). Для испытаний из них вырезались образцы. При применении поверхностного микролегирования полости литейных форм в массивных частях отливки покрывались краской на основе теллура, а в зонах тонкостенных частей отливок - краской на основе алюминия.

Для исследования влияния случайных отклонений параметров технологии на герметичность по полученным экспериментальным данным строились частотные кривые нормального распределения и применялись методы математической статистики для установления корреляционной связи и регрессионных зависимостей.

В главе 3 приведены результаты влияния некоторых металлургических факторов на герметичность отливок. Среди металлургических факторов на герметичность чугунных отливок существенное влияние оказывают шихтовые материалы и способ плавки, химический состав чугуна, его ле-гпрсиапкс я модифицирование, пористость, структура мсгшшической. основы чугуна и др.

Для исследования влияния технологических процессов плавки были проведены эксперименты по определению герметичности проб и отливок из чугунов, выплавленных в вагранках, индукционных печах высокой и промышленной частоты и установке для электрошлакового переплава. Опытные плавки различались по составу шихтовых материалов, применению легирующих добавок и модификаторов. Составы шихт и металлургические параметры опытных плавок приведены в диссертационной работе .

Исследования показали, что при применении в шихте доменных чугунов различных заводов технологические пробы значительно отличались по структуре, физико-механическим и герметическим характеристикам. Пробы, изготовленные с применением чугунов Алапаевского завода, имеют более благоприятную структуру и более высокий коэффициент герметичности по сравнению с пробами, изготовленными из нижнетагильских и серовских литейных чугунов. Эти результаты хорошо коррелируются с характеристиками структуры чугуна (количество перлита, дисперсность графита и др.), полученными в обширных металлографических исследованиях выплавляемых чугунов.

Как показали исследования, применение литейных чугунов различных заводов благоприятно влияет на улучшение структуры чугуна. Применение в шихте передельных чугунов в пределах 20-35 % повышает физико-механические и герметические характеристики отливок, в их струк-

туре обеспечивается более мелкое эвтектическое зерно, величина которого уменьшается с повышением степени эвтектичности чугуна, увеличивается количество перлита, механические свойства отливок возрастают на 8-12 %.

Отсутствие крупных сростков пластин в отливках из чугуна индукционной плавки затрудняет разрушение более прочной металлической основы чугуна по графитовым включениям, что уменьшает возможность образования «транзитных» несплошностей. На рис. 1 представлены герметические характеристики ступенчатых технологических проб плавок серии ВЛ, ВУ и ИУ. Плавки чугунов серии ВЛ и ВУ осуществлялись в вагранке, плавка чугунов серии ИУ - в индукционной печи. В состав шихты плавки ВЛ1 входило 50 % доменного нижнетагильского чугуна ЛК2, 25 % чугунного лома, 25% стального лома. Чугун выплавлялся в вагранке, не модифицировался. В плавке ВЛ2 содержание доменного нижнетагильского чугуна было снижено до 25 % и увеличено количество стального лома до 50%. В состав шихты плавки ВУ1 входили чугуны двух марок ЛК2 Алапа-евского завода и ЛКЗ Серовского завода в количестве 40 %, покупной лом 55-57 %, стальной лом 3-5 %. Модификаторы и легирующие элементы в чугун не добавлялись. Чугун плавки ВУ2 модифицируется ФС75, чугун плавки ВУЗ легировался 0,15 % БЬ. В составе шихты плавок ИУ1, ИУ2, ИА1, ИА2 содержалось до 35 % передельного чугуна и 65 % стального лома. Плавки ИУ 1 не модифицировались, плавки ЙУ2 модифицировались ФС75.

Из полученных данных видно, что чугуны ИУ2, выплавленные в индукционной печи, модифицированные и легированные чугуны ваграночной плавки ВУ2, ВУЗ, чугуны ВУ1 с применением в плавке двух сортов доменного чугуна имеют более высокие показатели герметичности, чем ваграночные чугуны с применением в шихте одного сорта доменного чугуна без модифицирования и легирования (ВЛ1).

В опытном порядке были определены герметические характеристики чугуна, полученного электрошлаковым переплавом. Электрошлаковый переплав электродов из чугуна СЧ21 проводили на опытной установке института металлургии Уральского отделения РАН. Применялся шлак систем СаРг-УгОз, Сар2-ТЮ2, СаБгМчРг-МяО и др. При этом обеспечивалась возможность комплексного легирования чугуна. Исследования показали увеличение герметичности при электрошлаковом переплаве в 2-2,5 раза по сравнению с исходным чугуном. Кроме эффекта легирования чугуна, это связано с рафинированием его от вредных примесей и неметаллических включений.

Наряду с исследованием влияния на герметичность химического состава чугуна (С, Мп и Р) исследовалось влияние легирования элементами: А1, Си, Сг, №, Мо, "П, Бп, БЬ, Мд, Се, V/, V, В и др. При этом исследовалось влияние комплексного легирования: Сг-№-Мо, Си-Бп, Си-Сг-Ж Исследования показали положительное влияние легирования чугуна БЬ и Бп. Даже небольшие добавки БЪ (0,15-0,25 %) вызывают существенные изменения в структуре и свойствах чугуна. БЬ способствует перлитизации

чугуна и препятствует графигизации. Улучшению структуры перлита и графита способствуют объемные изменения в кристаллической решетке сплава, обусловленные большой разницей в размерах атомов БЬ и Бе. Для повышения герметичности чугунных отливок оптимальное содержание БЬ составляет 0,15-0,2 %.

Исследованиями установлено влияние на структуру чугуна Бп. Оптимальное содержание Бп в чугуне 0,08-0,1 %. При этом уменьшается пористость и повышается герметичность отливок на 50-60 %. Исследования показали, что в местах повышенного содержания Бп снижается содержание 81, что измельчает структуру чугуна и повышает его герметичность.

Эффективно влияет на повышение герметичности комплексное легирование чугуна Бп и Си (0,4-0,8 %). Весьма эффективными добавками, существенно повышающими герметичность, являются Сг, №, Си, Мо, "П. Исследованиями установлены оптимальные соотношения в виде сбалансированных комплексных добавок Сг, Си, №, Мо. Легирование этими элементами обеспечило значительное повышение герметичности. При этом оптимальным соотношением элементов является

%С" + %М =4,0-4,5. (5)

%Сг

Дополнительное введение 0,15-0,25 % Мо обеспечивает дальнейшее повышение герметичности.

Указанные сбалансированные легирующие добавки обеспечивают оптимальную структуру графита и перлита в металлической основе чугуна. В опытных плавках получено, что на пористость и чувствительность отливок к надрезам существенное влияние оказывает содержание Р и Сг. Содержание Р должно быть в пределах 0,2-0,3 %. Сг, ликвируя в фосфидную эвтектику, увеличивает ее объем и усадочную пористость. Поэтому при наличии Сг содержание Р должно быть ограничено указанными пределами. Для компенсации вредного влияния Р целесообразно вводить от 0,5 до 0,8% Сг.

В диссертации также определены механизмы и оптимальные количества легирования чугуна алюминием, молибденом, титаном, магнием и церием. Полученные количественные показатели по герметичности чугунов позволяют в зависимости от предъявляемых требований выбрать необходимую технологию легирования и составы легирующих добавок.

Кроме параметров структуры, на герметичность отливок существенное влияние оказывает пористость чугуна. Экспериментально определена зависимость микроскопической, графитной и общей пористости чугуна от времени его охлаждения при затвердевании. С увеличением времени охлаждения все виды пористости монотонно возрастают. Герметичность чугуна более чувствительна к пористости, чем прочность чугуна. Как видно из рис.2, при относительной пористости чугуна 0,13-0,14 коэффициент герметичности приближается к нулевой отметке, а прочность чугуна при этом находится в пределах 115-135 МПа.

Из характеристик структуры на герметичность наиболее сильно влияют количества графита и перлита. Экспериментально установлена зависимость между графитной пористостью, содержанием связанного углерода Со, и количеством перлита. С улучшением структуры чугуна, уменьшением толщины стенки и снижением пористости увеличиваются коэффициент герметичности G0 и предел прочности чугуна при растяжении (ар). При этом герметичность более чувствительна к изменению толщины стенки, чем прочность чугуна.

Аналитическая обработка результатов экспериментов на ступенчатых технологических пробах по исследованию герметичности и пористости чугуна по методу наименьших квадратов позволила установить, что для расчета коэффициента герметичности отливок справедлива формула

А К К

от = ——, (6)

0 (Я - 0,09)а -R^-n

где эмпирический коэффициент А и показатели степени а и fi равны: для нелегированных чугунов соответственно: 140; 0,5; 1,3; для легированных чугунов соответственно: 45; 0,8; 1,2; R„p - приведенная толщина стенки отливки, см; Л - общая пористость чугуна, %/100;

Ккач- коэффициент качества, зависящий от химического состава чугуна

и изменяющийся в пределах от 0,6 до 1,2; К„ - коэффициент нагрузки, учитывающий напряженное состояние отливки, влияние которого рассмотрено в главе 4; п - коэффициент запаса.

Коэффициент герметичности отливки G™" можно определить по известному коэффициенту герметичности образцов Gq , вырезанных из стандартных технологических проб (диаметр 30 мм, длина 340 мм), по формуле

сг = 0М1у.Кш (7)

К,Р п

В главе 4 приведены результаты исследований влияния конструкторских и технологических факторов на герметичность отливок из серого чугуна.

Конструкторские особенности литых деталей во многом определяют характер напряженного состояния в отливках, вызываемого литейными напряжениями и усилиями, прилагаемыми к литой детали в процессе ее эксплуатации. Величина и характер напряжений оказывают существенное влияние на герметичность отливок. Для исследования влияния напряженного состояния на герметичность в диссертации были использованы разработанные автором пробы, имитирующие наиболее характерные элементы конструкций литых деталей компрессоров. Кроме проб, использовались экспериментальные отливки.

Как показали результаты экспериментов, наиболее чувствительной конструкцией к проницаемости рабочей среды является отливка в виде диска с утолщенной внутренней частью (проба I типа). Это объясняется

возникновением в ней растягивающих напряжений, облегчающих процесс образования "транзитных пор" и несплошностей.

Проба II типа имеет утолщенный кольцевой обод. Для нее характерны сжимающие напряжения, затрудняющие процесс образования пор и

1500 1200 900 600 300

ВУ-2/О

ВП-1

^1500

» ¡00

600

■в-■е-

е

\ г счр(Г 1

а 0

Чро Л

к

25О

2<М| в"

150 |

О X

£

юо

£ <о Ф

¡50 £

0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 Пористость относительных величинзх)

0.0$

Рис. 1. Герметические характеристики Рис. 2. Влияние пористости чугу-ступенчатых технологических проб на СЧ21 на прочность (ав) и гер для различных плавок чугуна метичиость (Со)

несплошностей. При испытании проб I типа определяли герметичность я с целью выявления величины внутренних напряжений доводили испытания до разрушения отливки. Пробы П типа не удаюсь разрушить в гермето-метре. Их разрушали на специальном прессе, создавая в переходных зонах напряжения среза.

Испытания показали, что при прочих равных условиях герметичность и прочность в отливках I типа ниже, чем в образцах и в стандартной пробе. Для характеристики влияния напряженного состояния в работе предложен коэффициент нагрузки /С, определяемый по формуле

К = ^рЬ", (8)

бо

где [&'0]отд - коэффициент герметичности чугуна, испытывающего растягивающие или сжимающие нагрузки;

(}0 - коэффициент герметичности чугуна на образцах тех же размеров, не испытывающих напряжений.

Как показали эксперименты, в расчетах герметичности отливок коэффициент нагрузки при растягивающих напряжениях можно принять равным ^<¿=0,08-0,1. Герметичность образцов, испытывающих сжимающие напряжения, существенно выше, чем у ненагруженных образцов. В условиях сжимающих напряжений может быть определен по формуле (8).

Для различных зон ряда отливок была рассчитана герметичность и построены эпюры герметичности. Расчет расхода рабочей среды через стенки отливки при испытании на герметичность гильзы цилиндра проводился по формуле

Р

п Ь,

где 7 - коэффициент динамической вязкости рабочей среды, Fi - площадь поверхности участков отливки.

Если объем жидкости V -С)^ меньше допустимого значения, то литая деталь признается герметичной.

Исследования напряженного состояния отливок, выполненные на литых деталях различной конфигурации с разными перепадами толщин стенок, показали, что их герметичность в 12-20 раз ниже, чем у проб, не испытывающих растягивающих напряжений.

В диссертации установлено, что на величину внутренних напряжений и герметичность, кроме типа плавильного агрегата, структуры металла, конфигурации отливки и толщины ее стенок, оказывает влияние масштабный фактор, то есть габаритные размеры отливки. С увеличением этих размеров увеличивается напряжение и падает герметичность.

В диссертации разработана и проверена на большом числе отливок методика прогнозного расчета отливок на герметичность на стадии конструирования, а также предложен комплекс мероприятий по повышению технологичности литых деталей с точки зрения обеспечения заданного уровня герметичности.

Герметичность чугуна тесно связана с его структурой и наличием в отливке различных литейных дефектов. Для установления зависимости герметичности от технологии литейной формы были проведены эксперименты по испытанию ступенчатых проб и отливок, полученных в сырой и сухой песчаной литейных формах, в оболочковой и металлической литейных формах. При этом проводился металлографический анализ структуры чугуна. В зависимости от технологии изготовления отливок коэффициент герметичности изменяется в широких пределах. Минимальным коэффициентом герметичности обладают отливки из ваграночного чугуна, полученные в сухих литейных формах. Максимальное значение коэффициента герметичности характерно для отливок, изготовленных в металлических литейных формах. Однако в тонкостенных участках отливки может возникать отбел, который нежелателен. Для исключения отбела чугуна в работе предложены эффективные технологические меры.

Эффективным средством управления структурообразованием в поверхностных слоях отливок является поверхностное микролегирование. В диссертации исследован процесс поверхностного микролегирования гра-фитизирующими элементами (81, А1) и карбидообразующими элементами (Те, В1 и др.). Применяя теллуровые и алюминиевые обмазки для форм и стержней, можно обеспечить выравнивание структуры, а следовательно, и герметичность в элементах литых деталей, имеющих разную толщину. В диссертации выполнены исследования влияния поверхностного микролегирования на герметичность чугуна в ступенчатых пробах. При этом для оформления I, П, П1 ступеней технологической пробы в литейной форме была применена теллуровая краска, а для IV и V ступеней - краска на ос-

нове А1. Эксперименты показали выравнивание структуры и герметичности по длине пробы. При этом во всех ступенях технологической пробы герметичность возрастала.

В диссертации разработаны составы красок для поверхностного микролегирования и технологии их применения.

В работе рассмотрены также вопросы модифицирования чугуна для отливок, изготовляемых в металлических формах, силикобарием, применение плазменного напыления металлических форм, определены оптимальные параметры и даны соответствующие технологические рекомендации для практического применения.

С точки зрения повышения герметичности отливок большое значение имеет эффективность литниковых систем по улавливанию шлаковых и неметаллических включений. В диссертации выполнен комплекс исследований по применению фильтровальных сеток и щелевых (струпных) фильтров, разработаны методики расчета литниковых систем с фильтровальными сетками и обоснованы их конструкции. Рассмотрены вопросы повышения надежности технологии, характеризующейся чувствительностью герметичности к нестабильности химического состава чугуна и другим технологическим параметрам. В экспериментах получены частотные кривые герметичности и определены их параметры. Ввиду широкого интервала рассеяния показателей при расчете герметичности необходимо вводить коэффициент запаса п. В формулы (6), (7) введен в качестве дополнительного множителя коэффициент, равный 1 /п. По полученным в исследовании данным коэффициент запаса я = 4-6.

В главе 5 разработан комплекс мероприятий по повышению герметичности отливок. Он включает в себя:

• оптимизацию состава шихты, процесса плавки и повышение стабильности химического состава чугуна;

• обеспечение легирования и поверхностного микролегирования чугуна;

• выбор оптимального технологического процесса;

• обеспечение технологичности конструкции чугунных отливок;

• оптимизацию условий заливки литейной формы;

• оптимизацию условий затвердевания и охлаждения отливки в литейных формах;

• обеспечение эффективного технологического контроля изготовления отливок и их герметичности.

На примерах литых деталей для компрессоров высокого давления показала эффективность применения указанных мероприятий и даны методики и рекомендации по их практическому использованию. Показана достаточная точность предложенных в диссертации формул для предварительного расчета герметичности отливок. Внедрение результатов исследования позволило сократить брак отливок по негерметичности и обеспечить экономический эффект 467 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для достижения поставленной перед диссертационной работой цели- повышения надежности и конкурентоспособности машин путем обеспечения высокой герметичности литых деталей из чугуна - выполнен комплекс исследований, позволивший разработать научно обоснованную систему мероприятии по комплексному управлению технологическим процессом изготовления отливок.

1. В диссертации изложено и теоретически обосновано понятие герметичности и определены влияющие на нее важнейшие факторы. Величина герметичности чугуна определяется процессами фильтрации рабочей среды через стенку отливок при неравномерном по ее толщине коэффициенте проницаемости. При этом процесс фильтрации проходит в два этапа.

На первом этапе под воздействием напряженного состояния, вызванного давлением в порах, происходит формирование транзитных пор и не-сплошностей с последовательным продвижением фронта фильтрации вглубь стенки отливки. На втором этапе происходит проникновение рабочей среды через стенку отливки и формируется установившийся режим фильтрации.

Представляется возможным укрупненно выделить три группы факторов, влияющих на герметичность литых деталей из чугуна. Это металлургические факторы, включающие в свой комплекс состав шихтовых материалов, технологию плавки чугуна, химический состав чугуна, его легирование и модифицирование; технологические факторы, охватывающие технологические процессы изготовления и условия формирования отливки, а также конструкторские факторы, включающие конфигурацию и размеры отливок, развитие в них внутренних напряжений и характер напряженного состояния литой детали.

Герметичность чугуна непосредственно определяется его химическим составом, структурой, пористостью, условиями затвердевания и охлаждения отливки, величиной и характером внутренних напряжений и др. Для прогнозирования герметичности отливок на стадии их конструирования предложены формулы, непосредственно включающие указанные факторы.

Показано, что следует различать герметичность, полученную при испытаниях на пробах, от герметичности отливок. Герметичность более чувствительна к изменениям структуры, пористости, толщины стенок отливки, чем прочность.

В диссертации разработаны новые технологические пробы на герметичность, в том числе имитирующие различные элементы реальных отливок с учетом их напряженного состояния. Разработанная методика испытания отливок и проб на герметичность отличается большой точностью, универсальностью и надежностью.

Для учета большой степени рассеяния показателей герметичности из-за нестабильности технологического процесса предложен и определен

необходимый коэффициент запаса при прогнозировании герметичности. Предложен комплекс мер по повышению стабильности технологического процесса.

2. На большом количестве образцов и отливок исследовано влияние на герметичность комплекса металлургических, технологических и конструкторских факторов и определены их оптимальные значения:

- на экспериментальном материале показано существенное влияние на герметичность состава шихты, в частности, содержания литейных чугу-нов различных заводов, передельных чугунов, плавильных агрегатов. Определены характерные количественные уровни герметичности (для различных составов и плавок чугуна) и даны рекомендации по обоснованной шихтовке и выбору процесса плавки;

- подтверждены и дополнены данные о влиянии на герметичность модифицирования и легирования чугуна;

- определены оптимальные составы легирующих добавок сурьмы, олова, меди, никеля, молибдена, хрома, алюминия и обоснованы их оптимальные количества;

- показана эффективность модифицирования силикобарием, особенно отливок, изготовленных в металлических формах;

- впервые получены количественные данные о высокой герметичности отливок из чугуна с шаровидным графитом;

- подтверждено исследованиями по герметичности проб, имитирующих элементы отливок, что на величину внутренних напряжений и герметичность литых деталей влияют условия их первоначального нагру-жения, масштабный фактор, конфигурация литой детали, физико-механические свойства чугуна в отливках. Сжимающее напряжение в стенках литой детали увеличивают герметичность пропорционально их величине, а растягивающие напряжения снижают герметичность по сравнению с ненагруженными стенками в 12-20 раз;

- в исследованиях получены количественные показатели герметичности чугунных отливок, изготовленных в разных по теплофизическим свойствам литейных формах. Установлено, что высокие показатели герметичности обеспечиваются при изготовлении отливок в металлических формах при условии обеспечения соответствующей структуры и исключения отбела чугуна;

- для повышения герметичности и обеспечения ее равномерного распределения в литой детали обоснован процесс поверхностного микролегирования чугуна графитизирующими АЬ) и карбидообразующими элементами (Те). Определены оптимальные составы соответствующих красок и режимы их применения;

- на отливке цилиндровой и корпусной групп компрессоров показана эффективность дождевых и щелевых литниковых систем, литниковых систем с применением стеклотканевых и щелевых фильтров. Разработаны методики расчета и конструирования литниковых систем.

3. Разработана методика технологического и конструкторского обеспечения заданного уровня герметичности отливок, включающая:

- обеспечение технологичности конструкции отливки на основе прогнозирования герметичности на стадии конструирования;

- выбор способа изготовления отливок и материала формы, обеспечение необходимых скоростей затвердевания и охлаждения различных конструктивных элементов отливки;

- обеспечение требуемой структуры чугуна в отливках и снижение уровня пористости путем применения в оптимальных пределах легирования и микролегирования чугуна алюминием, медью, никелем, хромом, сурьмой, оловом, а также поверхностного микролегирования теллуром и алюминием, подбором соответствующих шихтовых материалов и технологических процессов плавки чугуна;

- соблюдение предложенных в диссертации мероприятий по обеспечению необходимой стабильности технологических параметров процесса плавки и изготовления отливок.

4. Разработанный комплекс мероприятий внедрен на конкретных отливках цилиндров, блоков, корпусов, картеров, компрессоров, что позволило снизить брак по негерметичности на 55-60 % и получить экономический эффект 467 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.). Полученные результаты исследования используются в компрессорном, холодильном, насосном, моторном и других предприятиях машиностроительного комплекса.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Дрейзин Л. С. Легковыбкваемый податливый металлический стержень для отливки цилиндров. М.: ГОСИНТИ, 1963. № 1584/64. С. 1-8.

2. Дрейзин Л. С. Исправление пороков отливок пропиткой//Опыт применения пластических масс в литейном производстве. М.: ГОСИНТИ, 1964. №1-64-818/18. С. 3-10.

3. Ясногородский В. И., Мурзин С. Ф., Дрейзин Л. С. Новый метод контроля химического состава и свойств чугуна. М.: ГОСИНТИ, 1965. №265-862/89. С. 1-12.

4. Технико-экономический расчет оптимального состава ваграночных шихт методом «последовательного улучшения плана»/Анисимова Г. С., Горфинкель В. М., Дрейзин Л. С, Майданчик Б. И. М.: ГОСИНТИ, 1964. № 14-64-278/7. С. 27-31.

5. Дрейзин Л. С., Шумаков А. П. Механизация производства литья в оболочковые формы. Свердловск: Средне-Уральское ЦБТИ, 1966. № 336. С. 1-3.

6. Дрейзин Л. С. Исправление пороков в чугунных отливках - пропитка негерметичных отливок. Свердловск: Средне-Уральское ЦБТИ, 1966.

№138. С. 1-7.

7. Дрейзин Л. С. Оценка прочности чугунных отливок методом испытания давлением в клиньях. Свердловск: ЦБТИ, 1966. № 1476. С. 1-7.

8. Дрейзин Л. С., Репин А. А. Опыт изготовления оснастки для литья в оболочковые формы. М.: ГОСИНТИ, 1967. № 6-67-829/224. С. 1-10.

9. Дрейзин Л. С. Центробежная отливка гильз для компрессоров высокого давления. Свердловск: Средне-Уральское ЦБТИ, 1969. № 2106. С.1-4.

10. Дрейзин Л. С., Шейнфельд А. С. Методы исправления отливок компрессорных машин, не выдержавших испытания на герметичность// Улучшение качества и снижение себестоимости литья. Одесса: НТО МАШПРОМ, 1971. С. 31-38.

11. Дрейзин Л. С. Повышение герметичности чугунных отливок микролегированием теллуром. Свердловск: Средне-Уральское ЦБТИ, 1969. №42-43. С. 1-7.

12. Дрейзин Л. С., Сотников А. А., Челпанов Б. В. Структура, физико-механические и герметические свойства чугуна //Новейшие достижения в кокильном литье. Одесса, 1971. С. 180-186.

13. А. с. 173119 СССР, МКИ В 22 D 18/06. Покрытия для литейных форм / Дрейзин Л.. С. Опубл. 07.04.72, Бюл. № 9//Огкрытия. Изобретения. 1972. № 9. С. 25.

14. Дрейзин Л. С. Улучшение качества отливок для компрессоров. Свердловск: Средне-Уральское ЦБТИ, 1977. № 84-77. С. 1-4.

15. Дрейзин Л. С. Литниковые системы со стеклотканевыми фильтрами. Свердловск: Средне-Уральское ЦБТИ, 1977. № 83-77. С. 1-4.

16. А. с. 1088199 СССР, МКИ В 22 D 18/06. Отвердитель для формовочных и стержневых смесей/Дрейзин Л.С., Порхунов, Р.В., Брилах. Н. М. Опубл. 08.10.83, Бюл. № ШОткрытия. Изобретения. 1983. № 12. С. 27.

17. А. с. 1132627 СССР, МКИ В 22 D 18/06. Мембранный блок компрессора / Дрейзин Л. С., Коломыцев Е. М. и др. // Опубл. 16.07.84,

Бюл. № 9 // Открытия. Изобретения. 1984. № 9. С. 22.

18. Дрейзин Л. С. Прогрессивная технология - основа стабильности качества и эффективности производства // Химическое машиностроение. 1977. №3. С. 4-6.

19. Балин В. С., Дрейзин Л. С., Агапова Л. И. Получение чугунных отливок с применением силикобариевой лигатуры при ваграночной плавке// Совершенствование технологии плавки и повышение качества чугуна. М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1980. № 9-80-19. С. 1-3.

20. Дрейзин Л.С. Влияние некоторых факторов на герметичность отливок из серого чугуна // Прогрессивные технологические процессы и подготовка кадров для литейного производства. Екатеринбург: УГППУ, 1998. Вып. 3. С. 42-55._

Подписано в печать 14.07.98 Формат 6Cbc64 I/I6

Бумага писчая Офсетная печать Усл.п.л. 1,16

Уч.-язц.я. 1,11_Твраа 100 '_Заказ 211 Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 ЗАО УЩ Ш1. 620002, Екатеринбург, Мира, 17