автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение стойкости плунжерных пар машин литья под давлением

Министерство образованна Украины ХАРЬКОВСКИ? ГОСНДЙРСТВЕНННИ АВТОНОЕМЬНО-ДОРОМНШ? ТЕХНИЧЕСКИЙ Ш1Й8ЕРСЙТЕТ

?Г6 ОД

На правах рукописи

1 ' ¡1 Ь

БИЛЯРЧИК ЕВГЕНИЙ РОМАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ПЛУНЖЕРНЫХ ПйР МР.1ИН ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение в

каниностроенки (промнзявнность)

АВТОРЕФЕРАТ

пиггрптятпп* ия тигкаиир гшонпЛ ггоприи ИДИИиПЯТЛ ТРУМИиРГЧ^ИУ

« ««"I«» «ним»«..

наук

Карьков - 1390

Работа выполнена в Харьковском госддарственном автомобильно-дорожном техническом университете.

Надчные руководители - кандидат технических надк, < профессор СОЛНЦЕВ Я.А.

- доктор технических надк ТИМОФЕЕВА Л.А.

Официальные оппоненты - доктор технических надк

ЗМИИ в.и.

- кандидат технических надк 1АБ0ТИНСШ Н.П.

Ведущее предприятие - АО "Днепропетровский завод прокатных валков"

Защита состоится ____199_£_г. в Ж._ч.

на заседании специализированного совета К 02.17.01 при Харьковском государственном автомобильно-дорожном техническом дниверситете по адреса:

310078, г.Харьков, дл. Петровского, 25, ХГАДТЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ХГЙДТУ

Автореферат разослан __________199.4г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических надк,

А. й. КОШН

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуальность теми, Литье под давлением (ЯПД) является одним из наиболее высокопроизводительных процессов получения отливок, В последние годы наблюдаптся тенденции к расвиренив номенклатуры отливок, их габаритных и весовых ограничений. Новейвие достижения в теории и практике ЛПД позволят усложнять конструкцию отливок, получаемых этим методом. Современными направлениями в развитии мавин ЛПД являются: наращивание производительности, универсальность конструкции, повывение давления и скорости прессования металла, полная автоматизация при по-вывении надежности и долговечности технологической оснастки; Особое место при этом занимает ресурс плунжерных пар, в связи с чем остро встает проблема экономии дорогостоящих и дефицитных инструментальных сталей, бронз, которые используются для их изготовления. Попытки использования нелегированного серого чугуна были крайне неудачными, поэтому проблема достижения достаточной стойкости плунжерных пар без применения остродефицитных материалов остается постоянно актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является научно обоснованный выбор состава, структуры и технологии получения материала прессушщих порвней, включая термическуп и химико-термическуи обработку, обеспечивающих надежность и долговечность плунжерных пар мавин ЛПД.

В связи с этим в ходе исследований реиались задачи:

- научно обоснованный выбор недорогого и недефицитного материала прессующих поржней, обеспечивающего повышение стойкости плунжерных пар мавин ЛПД;

- обоснование возможности и разработка технологических основ изготовления прессующих поржней мавин ЛПД из выбранного материала;

- выбор и обоснование способа плавки чугуна, предназначенного для изготовления пресс-порвней;

- обоснование выбора и применения способов термического и химико-термического воздействия на структуру и свойства выбранного материала;

- уточнение представлений о механизме формирования оксилегирован-ных покрытий на выбранном материале;

- проведение сравнительных производственных испытаний чугунов различных видов в условиях работы плунжерных пар мавин ЛПД.

Научная новизна. Ястановлено решающее влияние формы графита на стойкость чугуна в условиях работы пресс-поршней машин ЛПД,

Эточнены представления о кинетике.процесса науглероживание чуг; в индукционных печах.

Уточнен механизм формирования оксилегированных покрытий на пер. то-карбидо-графитном чугуне с маровидным графитом, учитывающий влия! зтого графита.

Остановлено протекание графитизации цементита в поверхности! слое Ч1Г под влиянием окислительно-восстановительной атмосферы проц< са оксилегирования.

Достоверность рездльтатов подтверждается применением методов м< тематической статистики для обработки экспериментальных данных, использованием современных приборов и оборудования, промышленной пров< кой результатов исследований.

Практическая ценность. Показана возможность использования skohi внолегированного Ч1Г в условиях работы плунжерных пар мавии ЛПД: npi трении скольжения с ограниченной смазкой, в контакте с расплавами а. линия.

Обоснована возможность и разработаны технологические основы из) товления прессупцих пормней машин ЛПД алюминиевых сплавов с холодно] камерой прессования из отходов вальцедитейного производства - элеме) тов сифонной литниково-питапцей системы отливок валков из Н1Г.

На основе промышленных испытаний установлена оптимальная струк-ра чугуна и метод её получения для прессдоих поршней, что позволил) увеличить их стойкость в 2-3 раза, а при использовании оксилегирова) них покрытий дополнительно на 152 при одновременном уменьшении pacxi да смазки на 12,52 и сохранении максимальной стойкости наполнитель^ стаканов из легированной стали.

Результаты работы внедрены на Харьковском машиностроительном з< воде "ФЭД", Экономический эффект от внедрения составил 26,4 млн. кр| на одну машину ЛПД в ценах ноября 1S94 г.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

- доказанная возможность использования зкономнолегированного 41 в качестве материала плунжерных пар машин литья под давлением;

- целесообразность применения дуплекс-процесса плавки: пламен» печь - МЧТ-6 для получения Ч1Г и результаты расчетов коэффициента массопередачи углерода в тигле индукционной печи;

- представления о механизме формирования оксилегированных покр] тий на перлито-карбидо-графитном Ч1Г;

- - выявленные особенности графитизации карбидов в чугуне под действие!! перегретого пара водных растворов солей;

- комплексная обработка (отжиг и оксилегирование) отбеленного Ч1Г и эффективность её использования с целью повняениа антифрикционных свойств;

- результаты сравнительных производственных испытаний пресс-порз-ней из чугунов разных видов.

Апробация работа. Результата работы докладывались на научно-тех-ничесних советах и конференциях по качеству ГП ХМЗ "ФЭД" (1994, 19SS, 1996 гг.), научных конференциях в Харьковской государственном автомо-бально-дорогно» техническое университете, Uli научно-технической конференции "Неметаллические вклячениа и газы в литейных сплавах" (г.Запорожье, 1394 г,), Бсеукраинской научно-технической конференция "По-выаекие физико-механических и служебных свойств чугунов в отливках путей их легирования, кодифицирования, термической и высокоэнергетической обработки" (г.Киев, 1995 г.).

Публикации. Основное содерзание диссертационной работы излозено в б публикациах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, выводов и рекомендаций, изложена на 103 с. мааинного текста, содержит 12 таблиц, 32 рисунка, приложение. Перечень ссылок вклвчает 116 названий.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Плунжерная пара ианинн ЛПД состоит из камеры прессования (наполнительного стакана) и прессувщего порння. Она выполняет функции запрессовки металла в полость яресс-формы и работает в условиях контакта с жидкими сплавами, скорости скольжения до 80 м/с при выгорании смазки. Основной причиной выхода из строя плунжерных пар является не-ханический износ. Наиболее тязелые условия изнаяивания плунжерных пэр наблЕдаатся при литье алюминиевых сплавов, когда в рабочий зазор иезду яормнем и камерой прессования попадаит плены оксида аламиния, что приводит к появлении абразивного изнаяивания.

Повышение стойкости плунжерных пар мамин ЯПД связано с увеличением ресурса работы быстроизнаживаемой детали - прессувчего поряня, который, в отличие от камеры прессования, подвергается ударным нагрузкам и находится в длительном контакте с прессуемым металлом.

- о -

В качестве материалов пресс-поргней мамин ЯПД с холодной камерой прессованна используются стали ЗХ2В8Ф, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ, бронзы или серый чдгун. Чугун авляетса самый девевым и недефицитным материалом, а также позволяет значительно повысить стойкость наполнительных стаканов, изготовляемых из дорогих инструментальных сталей. Однако стойкость поранен из серого чдгдна крайне низкая; в дсловиах Харьковского мавиностроительного завода "ФЗД" она составлзет до 900 запрессовок.

Режение задачи повышения стойкости пресс-порвней возможно за счет разработки и внедрения в производство недорогого и недефицитного материала, основные требования к которомд вклвчагт в себя: износостойкость и задиростойкость в условиях ограниченной смазки при трении скольжения со скоростьа до 80 м/с,

ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНВОР ЧНГНЙЙ ДЛЯ ПРЕСС-П0Р1НЕИ

Исследование пресс-порвней из СЧ20 показало, что основными причинами их низкой стойкости являится феррит и междендритный графит в рабочем слое. Структура рабочего слоя имеет низкую твердость (165 НВ) и обладает недостаточной износостойкостью.

Для устранения причин низкой стойкости серого чугуна применяли экономное легирование и модифицирование. Легирование осуществляли с цельв получения в структуре чугуна однородной перлитной матрицы и до 52 избыточных карбидов, что обеспечивалось при вводе до 0.52 Сг и до 1.0% Н!. Для предотвращения образования междендритного графита использовали модифицирование чугуна ферросилицием ®С?5, Применение эконом— нолегированного модифицированного серого чугуна позволило увеличить стойкость пресс-порвней до 1300 запрессовок, что явилось предельным результатом для чдгдна с пластинчатым графитом.

В результате изучения характера разрджений чдгдна дстановили, что для повнмения стойкости чдгдна в условиях работы плунжерных пар необходимо повысить его твердость, дменьжить суммарную площадь поверхности графитных вклвчений и повысить механические свойства. Это может быть достигнуто при формировании в чугуне наровидного графита.

Вместе с тем, для достижения максимального уровня износостойкости в условиях ограниченной смазки необходимо формирование в Ч1Г структуры, отвечанщей принципу Варпи для антифрикционных материалов: равнй-мернораспределенные износостойкие включения в относительно пластичной матрице. В больмой степени этому принципу соответствует структура по-

иовинчатого Ч1Г: варовидный графит, перлитная матрица, избыточные карбиды.

При выборе состава Ч1Г для пресс-пориней выявили, что близкими к материалу пресс-порвней условиями работы характеризуются валковые чугуны, Высокая температура (до 1200°С) прокатываемой заготовки и охлаждение работающих калибров водой обусловливают достаточно тяжелые термические условия работы. Теапература поверхностного слоя калибра валка колеблется в пределах 650-800°С, т.е. соответствует температуре поверхностей деталей, контактирующих с алюминиевым расплавом, Тер-моциклирование, возникающее в результате водяного охлаждения калибров, ставит более жесткие требования к термостойкости валкового чугуна, по сравнению с чдгуном для пресс-пориней, так как величина температурного градиента и частота термосмен поверхностного слоя валков значительно превосходят зти параметры для деталей прессующих пар.

Валковые чугуны характеризуются сухим трением по стали и ударными нагрузками, визникающими в процессе захвата стальной заготовки. Максимальное усилие на сортопрокатные валки составляет 280 т, в то время как усилие прессования, развиваемое современными мавинами ЛПД с холодной горизонтальной камерой прессования и, следовательно, воздействующее на детали камеры прессования, не превышает 220 т.

Структура рабочего слоя сортопрокатных валков исполнения С1ХН С ТН 14-2-799-88) представляет собой перлито-карбидо-графитную смесь и отвечает основным требованиям, предъявляемым к структуре чугуна пресс-порвней,

Зчитывая многолетний опыт вальцелитейного производства по получению половинчатых зкокомнолегированннх чдгунов я близкие условна работы чугунных валков и плунжерных пар, нами предложено использовать в качестве материала пресс-порвней чугун по составу, аналогичный валковым чугунам с варовидннм графитом: 2.8-3,22 С; 1,5-2.62 51; 0.5-0.62 Мп; 0.2-0.4% Сг; 0,8-1.22 N1; 5 - не более 0,022; Р - не более 0.32.

С целью снижения себестоимости литых заготовок для изготовления пресс-порнней исследовали возможность применения в их качестве отходов вальцелитейного производства - элементов сифонной литниково-питающей системы валков. Установлено, что структура чугуна в питателях мелкосортных прокатных валков, получаемых в сифонном припасе, практически идентична структуре чугуна в рабочем слое таких валков (полное соответствие структуры чугуна в питателях структуре рабочего слоя валков достигается при содержании углерода не менее 3,02). Кроме того, досто-

инством таких заготовок является отсутствие пригара и дефектов усадочного происхождения из-за больжого гидростатического давления жидкого металла при высоте литейной формы 3,5-5,0 м. Поэтому в качестве заготовок для изготовления прессуищих поряней предложено использовать отходы вальцелитейного производства - питатели мелкосортных прокатных валков из Ч8Г, получаемые в сифонном припасе,

ПЛАВКА ЧЗГ9НА

Больжое влияние на соотножение между карбидо-графитными фазами в структуре чугдна оказывает содержание углерода. Получение необходимой структуры и твердости Ч1Г в питателях валков обеспечивается при содержании дглерода не менее 3.0£. Из-за больжого дгара дглерода в пламенных печах это условие трудновкполнимо. Кроме того, высокий перегрев чугуна в пламенной печи, необходимый для глобудяризирдищего модифицирования, связан с резким увеличением времени плавки и, следовательно, расхода энергоносителей. Использование же индукционной плавки ограничивается болыой металлоемкость» форм, что приводит к отсутствии "болота" и неэкономичному "холодному" старту печей промнвленной частоты. Для устранения указанных недостатков плавильной кампании был использован дуплекс-процесс плавки чугуна: пламенная печь - ИЧТ-6.

Для повыжения содержания углерода до 3,0-3,2% проводили науглероживание чугуна в индукционной печи. Несмотря на интенсивное электромагнитное перемеживание металла, процесс науглероживания является не только продолжительным, но и зачастув малоэффективным. С целы) определения дсловий ускоренного науглероживания исследовали особенности процесса растворения карбвризатора при доводке чугдна в ИЧТ.

Нами установлено, что растворение частицы карбиризатора маровид-ной формы описывается уравнением: (1г р*(Сн - С)

- =---—. (1)

й Ст

где г - радиус частицы карбиризатора, н; I - время, с;

Р - коэффициент массопередачи углерода, м/с; Сн- концентрация насыщения дглерода в чугуне, кг/м3^ С - текущая концентрация углерода в чугуне, кг/мл;. Ст- концентрация углерода в частице карбиризатора, кг/м^

Анализ дравнения (1) показывает, что скорость растворения частицы карбиризатора Си, соответственно, скорость надглероживания) для одного и того же начального состава чугуна определяется величиной коэффициента массопередачи дглерода р, Нами установлено, что основное влияние на коэффициент р при растворении карбиризатора в индукционной печи оказывает температура чдгдна и размер частиц карбиризатора (рис. 1).

Рисднок 1 - Влияние размера частиц карбиризатора С электродного боя) и температуры на коэффициент массопередачи дглерода в чдгдне, содержащем 2,82 С и 51

Необходимая при плавке ддшгекс-процессом скорость надглероживания, обеспечивавшая прирост содержания дглерода в чдгдне на 0.2-0.32 за 30-40 мин., достигается при температуре чдгдна выже 1400°С и использований карбиризатора фракции 30-50 мм.

ВЫБОР РЕШ0В ТЕРМООБРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ВЛИЯНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПРЕСС-П0Р1НЕЙ ИЗ Ч1Г

Принятая технология полдчения ЧВГ для пресс-пормней обеспечивает содержание избыточной карбидной фазы в литой заготовке на уровне 20'А. Исследование стойкости пресс-порвней из Ч1Г в литом состояния показало, что при таком содержании избыточных карбидов в структдре чугун обладает неудовлетворительными антифрикционными качествами вследствие невыполнения условия изолированного расположения износостойкой фазы в

матрице. Поэтому для понижения содержания избыточных карбидов и повы-жения степени графитизации Ч1Г применяли отжиг. В задачи отжига входило получение в структуре Ч8Г оптимального количества избыточных карбидов и сохранение перлитной матрицы, что обеспечивалось при одностадийном высокотемпературном отжиге. Температура нагрева с учетом точки Ас? и низкого легирования чугуна Сг выбрана равной 1000 °С.

Для того, чтобы установить влияние количества износостойкой фазы в структуре перлитного Ч1Г на стойкость пресс-поржней требовалось получить чугуны с различным содержанием избыточных карбидов, поэтому продолжительность выдержки при температуре нагрева варьировалась и составляла 3.5, 4.5 и 6.0 часов. Как показало исследование, содержание избыточных карбидов в Ч1Г линейно зависит от продолжительности выдержки:

К = 20.7 - 2,4*Т (+ 1.5), <2)

где К - количество избыточных карбидов в Ч1Г, V, Т - продолжительность выдержки при 1000°С, ч.

При содержании избыточного цементита до 10% выполняется условие изолированного расположения износостойкой фазы в матрице, т.е. чугун отвечает принципу варпи дла антифрикционных материалов.

Установлено, что оптимальным является 7-10% содержание избыточных карбидов в Ч1Г (твердость 42-44 Н$т, при котором стойкость пресс-поржней достигает 2700 запрессовок (рис. 2).

гбао

$ ЁЧОО «о

8 ssoo

<j

гаоо

о

*> ieoо

i&OQ 2 ¡UOQ

м

ia IZQO

5

hao

Количество и^Вытаитп:1 карьа^об & ЧШГ; %

Рисунок 2 - Влияние количества избыточных карбидов на стойкость пресс-порвней из зкономнояегираванного ЧЙГ

Предполагалось, что повышение стойкости может бнть достигнуто путем повнвения твердости чугуна за счет закалки с отпуском. Учитывая, что температура эксплуатации пресс-порвней составляет 450°С, стабилизирующий отпуск после закалки проводили при температуре 500°С.

В результате отпуска была получена структура феррито-карбидной снеси, ориентированной по границам быввих мартеиситннх игл (твердость 56 Н5Ю. Однако это не привело к дополнительному повывении стойкости пресс-порвней. Поэтому проведение закалки с отпуком как средство повы-вения стойкости было признано нецелесообразным.

ВЫБОР. ПОКРЫТИЙ й РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИХ НАНЕСЕНИЯ

Одним из наиболее эффективных способов увеличения ресурса пар трения является обеспечение высокой скорости приработки. Это может быть достигнуто путем нанесения специальных покрытий. Такие покрытия должны отвечать следующим критериям:

- низкий коэффициент трения в паре с закаленной сталью;

- пористое и гетерофазное строение;

- хоровая адгезия с подложкой;

- отсутствие отслоения в условиях термосмен;

- предотвращение адгезии между прессуемым металлом и ЧЙГ.

В наибольжей степени этим критериям удовлетворяют оксидные покрытия впинельного типа, легированные серой и молибденом.

Покрытия получали путем обработки отожженного ЧЕГ в атмосфере перегретого водяного пара 3-%-го водного раствора тиосульфата натрия и 5-2-го водного раствора молибдата аммония. Требуемый впинельный фазовый состав и необходимая толщина покрытия обеспечивались обработкой при температуре 570 °С в течение 40 мин.

В результате исследований было выявлено, что покрытия имеют слоистое строение (рис, 3). Толщина оксидного слоя, полученного при обработке в атмосфере перегретого пара 5-2 водного раствора молибдата аммония, составляет 12-13 мкв, а полученного в тех же условиях на основе 3-2 водного раствора тиосульфата натрия - 10 мкм.

Фазовый состав покрытий представлен магнетитом, впинелями.сб - ¥е, графитом, сложными оксидами типа Ре^ЭуО^ солями. В^покрытии на основе тиосульфата натрия обнаружены гидролизованный сульфат железа, двойная соль На3Ре($0</)з, натриевые соли пероксодвусерной и надсерной кислот.

Рисунок 3 - Микроструктура оксилегированных покрытий на Ч1Г,

травл., х1350:

а - покрытие, полученное в атмосфере перегретого пара 5% водного раствора молибдата аммония; б - покрытие, полдченное в атмосфере перегретого пара ЪУ. водного раствора тиосульфата натрия

В покрытии на основе молибдата аммония молибден образует с железом оксиды типа РеМоОч, а также соединения типа Ее*Но. В незначительных количествах встречается модификации оксида Ре2 03,

Многослойное строение оксилегированных покрытий может быть объяснено наличием двух параллельно протекающих процессов: переноса кислорода, элементов и соединений насыщающей среды в глубь металла и встречной диффузии ионов железа и легирующих элементов чугуна в обратном направлении.Поэтому в результате первого процесса происходит продвижение фронта диффузии кислорода и других элементов газовой фазы в глубь металла с формированием слоя 1 (рис. 3), образующегося по механизму внутреннего окисления за счет металлической матрицы. Результатом протекания второго процесса является формирование слоев 2 и 3, образующихся по механизму наружного окисления. В формировании слоя 3 (рис. 3) участвует также осаждавшаяся из газовой фазы исходная соль (растворенное вещество). При этом соль, в зависимости от своей химической активности, может вступать во взаимодействие с оксидными фазами 2 и 3 слоев, диффундирующими к формирующейся поверхности раздела "газ-покрытие" элементами металлической матрицы и газовой фазой. В результате химических реакций, протекающих в слое 3, в нем может возникать подслой 3,1 (рис. 3),

Графит чугуна, хотя и является "прозрачным" для газовой атмосферы, активно участвует в формировании покрытия, о чем свидетельствует

изменение в прилегающих к нему областях соотновения между толщинами слоев, оксидными фазами и наличие больмого количества мелкого ааровид-ного графита. Здесь наружный слой 3 существенно расвирается, а средний слой 2 - сужается, либо отсутствует вовсе.

Лля об-ьяснения особенностей морфологии оксилегированных покрытий на перлито-карбидо-графитном Ч5Г использовали термодинамический анализ, который показал, что формирование основных слоев покрытия возможно за счет следуищих химических реакций:

3/2Fe + 02 •* i/2Fe3G4 СЗ)

4/3Fe + 02 2/3Fe203 (4)

Fe + Н20 * FeO • + Н2 (5)

3/4Fe + Н20 - i/4Fe3Q4+ Н2, (6)

а формирование подслоя 3.1 в покрытии на основе тиосульфата натряя определяете з восстановительными способностями соли, что инициирует реакции:

4Fe203+ Na2S2Q3 + H2Q ■» 8FeO + Na^ + H2S04 (?)

4FeO + Na2S203 + H20 * 4Fe + HagSO^ + H2S0h (8)

G + 2H2S0^ G02 + 2SQ2 + 2H2Q (9)

FeO + H2SQ^ -» FeSOy + H20 (10)

2SQ2 + 2H20 + 02 + 2H2 SOy (11)

Fe + HaS0^ -» FeSOy + H2 С12)

2FeS0i/ •» Fea03 + SQ3 + S02 (13)

Зстановлено, что под действием атмосферы процесса оксилегированнз в поверхностном слое чугуна происходит распад цементита, а также сфе-роидизация звтвктоида. 8 результате взаимодействия чугуна с наенщакщей средой в покрытии выделяется яаровидннй графит. Термодинамический анализ показал, что графитизация цементита возможна не только в результате взаимодействия цементита с газами-окислителями, как это считается в настоящее время:

Fe3C + Н20 > 3Fe -ь Н2 + СО (14)

Fe + Н20 » FeO + Н2 " (15)

Fe^C + FeO -» СО + 4Fe (16)

СО/Ц, + Fei+ •» FeO + С, (17)

но и в результате взаимодействия цементита с газами-восстановителями:

Ре2С + 2На * ЗКе + СНЧ (18)

СН^ С + 2Я2 (19)

2С0 + С + С02 (20)

Для формирования графитнях включений необходимы зародии, в роли которых могдт выступать поры или химические соединения, образующиеся в покрытии. Кроме того, может происходить достройка графитных включений, выходящих на поверхность металла. Этому также способствует ликвация кремния, в результате которой наблюдается локальное повышение его концентрации вокруг выделений жаровидного графита.

Показано, что в слоях покрытия, образованных по механизму внутреннего окисления, происходит сфероидизация цементита звтектоида, В результате окисления феррита, сопровождающегося значительным увеличением объема, цементитные пластины оказываются сдавленными, что приводит к их растрескиванию по тонким сечениям. Далее рост окисляющегося феррита происходит в направлении наименьшего сопротивления,т.е. в трещины. С реличением степени окисления давление феррита на цементит возрастает, происходит вторичное дробление цементита по тонким сечениям и т.д. Кроме того, при дроблении суммарная поверхность цементита резко увеличивается, интенсифицируются как процессы вовлечения его в химические реакции, так и диффузионные процессы, что способствует его активному распаду.

Показано, что при оксилегировании молекулы растворённого в воде вещества осаждаются на поверхности, либо экранируя её, что замедляет рост внеяних оксидных сдоев, либо вступая во взаимодействие с оксидными фазами, что приводит к наружению классического параболического закона роста, либо не оказывая заметного влияния на процесс роста. Поэтому для оксидегировашшх покрытий предложено следующее уравнение для определения толщины нарастающих слоев:

К*й*ехр(-Ц/ЯТ), (21)

где х - толщина слоя;

К - эмпирический коэффициент;

й, О - постоянные;

й - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура.

Эмпирический коэффициент К характеризует химическув активность растворенного вещества. Для экранирующей соли К меньше 1, для индифферентной (молибдат аммония) - равен 1, а для химически активной - мажет принимать значения как больше, так и меньше 1 (К=0,85 для тиосульфата натрия).

Между тем, осаждение растворенного вещества практически не влияет на рост слоев, образованиях по механизму внутреннего окисления, что объясняется не прямым окислением чугуна из печной атмосферы, а диффузией окислителя внутри оксидной плёнки (от гематита к ввститу).

Таким образом, в результате формирования шпннельных фаз, частичной графитизации карбидов поверхностного слоя чугуна, формируется твердосмазочное покрытие, способствуйте облегчении прирабатываемос-ти и повышении износостойкости Ч1Г.

ПРОМШЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗНЛЫАТ08 ИССЛЕДОВАНИЙ

Плавку чугуна и литье заготовок прессующих поршней проводили в литейном цехе Днепропетровсого завода прокатных валков (ДЗПВ), Металл, предназначенный для литья заготовок из хромоникелевого чугдна с пластинчатым графитом, плавили в пламенной печи, а для литья валков исполнения С1ХН, литники которых использовали в качестве заготовок для изготовления поршней из хромоникелевого ЧВГ, дуплекс-процессом: пламенная печь - ИЧТ-б,

Для науглероживания чугуна в печи ЙЧТ-б использовали электродный бой или пековый кокс фракций 30-50 мм, которые вводили в чугун при температуре выше 1400что позволяло поднимать содержание углерода с 2.8-3.0% до 3,1-3.22 за 30-40 мин.

При производстве опытных отливок глобуляризирувщее модифицирование проводили в ковше железо-кремний-магниевой лигатурой ИГ-5 (ТЗ 145-134-86) при температуре 1360-1370"С. Расход лигатура составлял 2.02.5%.

Графитизирувщее модифицирование серого хромоникелевого чугуна для пресс-поршней проводили в ковше дробленным ферросилицием ФС?5 в количестве 1,5-2,0%. Литне заготовки получали в 12-ти местной сухой песча-но-глинистой форме, ■■? •

Прессуищие поршни из чугуна с пластинчатым графитом изготавливали из литой заготовки, а прессующие поршни из Ч1Г - из питателей валков исполнения С1ХН диаметром 60 мм в литок и термообработанном состо-

янии. Химический состав, твердость и микроструктуру чугуна определяли на темплетах, отрезанных от отливок (табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав и твердость опытных литых заготовок

Исполнение пресс-поржней Массовая доля химических элементов,у. Твердость, ЯБЬ

С 51 Мп Р 5 Сг Н1

СЧ,модифициров.ФС75|2,96 2,46 0,62 0,150 0,015 0,35 0,89 35

экономнолегкро-ваннвй «ИГ 3,06 2,08 0,69 0,153 0,011 0,53 0,95 54

3,03 1,93 0,92 0,160 0,010 0,43 0,90 56

3,19 1,86 0,64 0,183 0,008 0,34 0,85 56

3,27 1,63 0,61 0,169 0,014 0,3? 0,71 56

Испытания проводили на ХМЗ "ФЭД", для чего изготовление и термическую обработку пресс-пормней проводили там же по регламенту:

- отжиг заготовок;

- порезка заготовок;

- механическая обработка до чистовых размеров.

Химико-термическдв обработку прессующих пормней осуществляли после окончательной механической обработки. Для получения оксилегирован-ных покрытий использовали герметизируемую жахтную печь для оксилегиро-вания.

Эксплуатационные испытания опытных прессующих поржней проводили на мажинах для литья под давлением алюминиевых сплавов с холодной горизонтальной камерой прессования СЮО 250/25-В2 при литье сплава АК12 ГОСТ 1585-89, рабочем диаметре камеры прессования 50 мм и постоянной номенклатуре отливок. Прессующие поржни работали без жидкостного охлаждения. В качестве критерия стойкости прессующего поржня принимали количество запрессовок, при которых ещё получались годные отливки.

Пресс-поржни из ЧВГ без покрытия прирабатывали путем постепенного повымения скорости прессования в течение 20-25 запрессовок после выхода плунжерной пары на установивжийся тепловой режим.

Остановлено, что переход от пластинчатого графита к варовидному позволяет получить выигрыв в стойкости прессующих порнней дла чугунов одного и того же состава и с идентичной матрицей более, чем в 2,0 раза (1260-1300 и 2600-2700 запрессовок, соответственно), В то же время в условиях работы прессующих порнней стойкость экономнолегированного перлитного Ч1Г с оптимальннм (7-102) содержанием карбидной фазы в 3,03,2 раза выве, чем СЧ20,

Применение оксилегированных покрытий на экономнолегированном перлитном ЧИГ позволило исключить период приработки поржней после выхода плунжерной пары на установивнийся тепловой режим и увеличить их стойкость до 3100 запрессовок при одновременном уменьвении расхода смазки на 12.52, сохранении максимального ресурса наполнительных стаканов из легированной стали и максимальной производительности мавин ЛПД.

Результат» испытаний явились основанием для внедрения оксилегиро-взнного Ч1Г в качестве материала пресс—порнней мавин ЛПД алюминиевых сплавов с холодной камерой прессования. Внедрение результатов работы на ХМЗ "ФЗД" позволило получить годовой экономический эффект в 26.4 млн, крб. на одну мавину ЛПД в ценах ноября 1994 г,

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1, Материалы, применяемые в настоящее время для изготовления прессующих поржней мавин ЛПД алюминиевых сплавов с холодной камерой прессования, обладают недостаточным уровнем эксплуатационных свойств. В связи с этим необходим поиск нового материала, который при низкой стоимости отличался бы более высоким уровнем служебных характеристик.

2, Таким материалом может быть экономнолегированный чугун с варо-видннм"графитом при определенных химическом составе, структуре и технологии получения, обеспечивающих требуемый уровень служебных свойств.

3, Доказана целесообразность выплавки выбранного чугуна дуплекс-процессом, что позволяет экономить природный газ, электроэнергию, кислород и исключить ряд технологических операций по подготовке вихты.

4, Показано, что основное влияние на коэффициент массопередачи углерода и скорость науглероживания при выплавке чугуна в индукционных тигельных печах оказывают не интенсивность электромагнитного перемешиваний, а температура металла и размер частиц карбюризатора, что важно для оптимизации процесса получения чугуна,

5, Показано, что с целью получения минимальных издержек производ-

ства целесообразно для изготовления прессующих поршней использовать отходы вальцелитейн.ого производства - элементы сифонной литниково-пи-таящей системы отливок валков,

6. Зстановлено, что предложенные отходы вальцелитейного производства представляпт собой экономнолегированный хромоникелевый половинчатый чугун с шаровидным графитом. Для возможности применения в качестве материала пресс-поряней такой чугун необходимо подвергать графитизиру-ющему отжигу. Режим отжига выбран с помощью специально проведенных испытаний,

7. Проведенные сравнительные испытания чугунов с одним и тем же химическим составом и структурой металлической матрицы показывает по-выменную в 2-3 раза стойкость Ч1Г, по сравнению с серым чугуном, что доказывает решающее влияние формы графитных включений на служебные свойства чугуна в условиях работы плунжерных пар машин ЛПД.

8. Для улучшения прирабатываемости и повышения износостойкости выбранного чугуна как материала пресс-поряней после его отжига предложена химико-термическая обработка, состоящая в нагреве и выдержке чугуна в атмосфере перегретого пара разбавленных водных растворов солей (оксилегирование чугуна).

9. Доказано, что оптимальным является использование в качестве солей для получения водного раствора тиосульфата натрия и молибдата аммония, обеспечивающих формирование на поверхности чугуна защитных покрытий шпинельного типа. <■ -

10. Нточнены представления о механизме формирования таких окси-легированных покрытий. В частности установлено, что под воздействием перегретого пара водных растворов солей цементитные включения на поверхности чугуна подвергаются частичному распаду, а в результате протекания химических реакций в покрытии выделяется шаровидный графит.

11. Эксплуатационные испытания подтвердили эффективность обработки Ч1Г в среде перегретого пара водных растворов солей, обеспечивающей улучшение прирабатываемости и повышение стойкости пресс-поршней машин ЛПД алюминиевых сплавов при снижении расхода смазки.

12. Внедрение отходов экономнолегированного Ч1Г в условиях литейного цеха Харьковского машиностроительного завода "ФЗД" взамен СЧ20 позволило получить экономический эффект 26,4 млн, крб. на одну машину ЛПД (в ценах ноября 1994 г.), что подтверждает правильность принятых технологических решений и целесообразность применения выбранного материала.

Личный вклад автора!

- доказательство возвонности использования зкономнодегированного Ч1Г в условиях работы плунжерных пар мавин литья под давление»;

- выявление ревающего влияния формы графита на стойкость чугуна в дсловизх работы прессующих порвней маэин литья под давлением;

- выявление зависимости коэффициента массопередачи углерода от размера частиц карбнризатора при науглероживании чугуна в индукционной печи

- обоснование возможности использования отходов вальцелитейного производства в качестве литых заготовок для изготовления пресс-лора-ней;

- выявление особенностей формирования оксилегированных покрытий на перлито-карбидо-графитном ЧЗГ,

ПЗБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Билярчик Е.Р., Солнцев Л.А. Соверненствование материалов плунжерных пар манин литья под давлением//Тезисн докладов Uli научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах.- Запорожье; ЗГТЗ, 1994.- С.105.

?.. Билярчик Е.Р., Солнцев Л,А., Тимофеева Л.А. Легирование и термическая обработка высокопрочного чугуна как материала прессующих пор-аяей мавин яктья под давяеяиеа//Тезисн докладов Зсеукраинской конференции "Повывение физико-механических и сяунебных свойств чугунов в отливках путем их легирования, модифицирования, термической и высокознерге-ткческой обработки",- Киев; ИПЛ HAH Зкраины, 1995,- С.45.

3. Билярчик Е.Р., Солнцев Л.А. Определение скорости твердых частиц в тигле индукционных печей при плазке//Процессы литья,- 1995.-Н1.- С.12.

4. Билярчик Е.Р. Нсвоение веди и молибдена при индукционной плавке валковых чугунов//Литейное производство.-1995.- Н7-8,- С.12.

5. Билярчик Е.Р. Модифицирование чугуна для пресс-порвней мавин литья под давлениеи//Литейное производство.-1995.- N7-8.- С.13.

6. Билярчик Е.Р., Солнцев Л,А. Прессующие поряни мавин литья под давлением из высокопрочного хромоникелевого чугуна с варовидным графи-том//Информация и новые технологии,- Киев, 1936,- ifU- С. 36

Анотац1я

Бьчярчик С.Р. П1двищення ст!йкост! плунжерних пар мамин лиття п!д тиском.

Дксертацха на здобуття наукового ступеню кандидата техн!чних наук за фахом 05.02.01 - "Матер1алознавство у маминобудуванн! (промис-лов1сть)". Харк1всънйй державкий автомоб!льно-доронн1й техн1чний ун1— верситет, Харк!в, 1390 р.

Захищасться робота, яка метить докази иожливост1 тдвичення ст1йкост1 плунжерних пар иавин дитта п!д тисков алахом вккористанна економнолегованого чавуну з кулястим грантом як натер!ала пресуичо-го порвня. Встановлен р!наичий вплив форми граф!ту на ст!йк1сть чавуну в умовах пресуичих пораюв мааин лиття п!д тискоы. Виавлен! особ-лнвост! формуванна оксилегованих покриттхв на чавун! з нуластим гра-ф!том. Знайдена оптимальна структура чавуну та метод ii одержання для пресуячих поржн1в.

Робота впроваднэна на Харн1всьноау ианннобуд1вно»д завод! "ФЕД" з еконоа!чним ефектов 2Б.4 млн. крб. на одну машину яиття шд тнском (за цшаки 1994 р.).

КлячовГ слова: ПРЕСНЮЧЙИ ПОРМЕНЬ, КАМЕРА ПРЕСЯЕЙННЗ, ЧАВНН, СТ1Й КЮТЬ, MIKP0CTP9KT9PA, ТВЕРДК-ТЬ, ННЯЯСТИЙ ГРАФИ, ЦЕМЕНТ!!, ПЕРЯ1Т, 1ЙР, ТЕРМИНА ОБРОБКР.', ОКСМЕШАНЕ ПОКРЙТТЯ.

Abstract

Bilyarchik E.R. The tinelife increasing of plunger pairs of die casting Machines.

A thesis is submitted for candidate's degree of engineering sciences on profession 05,02.01 - "Materials engineering for lachine-bu-ilding (industry)", Kharkov State Autosobile and Higheay Technical University, Kharkov, 1930.

The possibility of the tiaelife increasing of plunger pairs of die casting eachines through the using of the nodular cast-iron for plunger tips is defended. The Bain influence of the graphite shape on the tiielife of the cast-iron for plunger tips is defined. The particularities of the obtaining of oxide alloyed coatings on the nodular cast-iron is deterained. The best structure and the sethad of obtaining it "for the cast-iron for plunger tips is elaborated.

This work is being used on "FEB" Kharkov Machine Horks and produces an economical effect of 26.4 sin. crb. on every die casting aachine (in prices of 1994),

Key sords: PLUM6ER TIP, SLEEUE, CP.ST-IR0M, TIMELIFE, MICRQSTRUC-TDRE, HARDNESS, MODULAR GRAPHITE, CEMEHTITE, PERLITE, LAYER, HEAT TREATMENT, OXIDE ALLOYED CDRTISQ.' J^rT1^ '