автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка методов контроля и управления технологическими процессами получения чугунных отливок и комплексный подход к решению вопросов повышения их эксплуатационных свойств

2 1

/'.Я?

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОЛПАКОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Разработка методов контроля и управления технологическими процессами получения чугунных отливок и комплексный подход к решению вопросов повышения их эксплуатационных свойств

Специальность 05.16.04.-Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 1998

Работа выполнена в ОАО "ГАЗ"

Официальные оппоненты: Доктор технических наук , профессор Леушин И.О. Кандидат технических наук - Куртеев Э.Н. Ведущая организация АО «РУМО»

Защита диссертации состоится 29 ацреля 1998 г.

в " 13 " часов на заседании диссертационного совета Д.063.85.08 при Нижегородском государственном университете (НГТУ) по адресу: 603600 ГСП - 41 г.Н.Новгород, ул. Минина,24, корп. 1. ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ

Автореферат разослан " 27 " марта 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

^^Вбсильев В. А. /

Общая характеристика работы Актуальность темы: Одной из основных задач отечественного машиностроения является повышение качества , надежности и долговечности автомобилей при одновременном увеличении их выпуска, снижении массы и себестоимости. Решение этой проблемы неразрывно связано с внедрением более эффективных материалов и технологий, в частности с разработкой методов получения отливок из чугуна с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами В зарубежной и отечественной практике машиностроения для изготовления всевозможных деталей , даже для таких ответственных , какими являются блоки и головки блоков цилиндра, шатуны, поршневые кольца, коленчатые и распределительные валы автомобильных двигателей , с успехом используются чугунные отливки.

Широкое применение чугунов обуславливается уникальным , благоприятным сочетанием их физико-механических и литейных свойств. Достижение высоких эксплуатационных свойств отливок , обусловленных структурой чугуна, возможно только при комплексном подходе , с оценкой и регулирование параметров технологического процесса.

Трудами ученых Гирш'овича Н.Г., Рыжикова A.A., Платонова Б.П., Ланда А.Ф., Вейника А.И., Гуляева Б.Б. и многих других , раскрыты многообразные факторы , влияющие на формирование структуры чугунов. Наиболее важными из них являются те, которые контролируют протекание процессов графитизации и кристаллизации, зависящие от химического состава чугуна , жидкого состояния расплава, скорости охлаждения .режимов.термообработки и других технологических параметров. При этом показано, что с помощью варьирования факторами можно получать различные структуры ,а следовательно, и свойства отливок.

»

Однако, до сих пор простые и надежные способы контроля „технологиче----

ского процесса, включающие в себя одновременную оценку большого количества факторов , влияющих на структуру чугуна и таким образом на механические свойства, не разработаны.

Создание рационального метода контроля и оперативного и комплексного воздействия, управления технологическими процессами литья и последующей обработки чугунных отливок с целью повышения их" эксплуатационных свойств - является основной задачей диссертации. Дель работы:

-разработать надежную методику контроля и регулирования параметров процесса получения высококачественных серых и высокопрочных чугунов ; -разработать методы улучшения и оптимизации технологических и механических свойств чугунов для отливок деталей в автомобилестроении; -установить оптимальные составы и структуры чугунов, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства отливок;

-разработать способы обработки расплавов чугуна, повышающих эффективность процессов рафинирования, модифицирования и легирования чугунов; -усовершенствовать технологические процессы изготовления высококачественных чугунных коленчатых и распределительных валов автомобильных двигателей;

-исследовать влияние режимов термической обработки высокопрочных чугунов на циклическую долговечность коленчатых валов. Научная новизна:

- разработана методика оперативного контроля и регулирования процесса получения качественного чугуна, а также количественной оценки его основных свойств; в методике взаимосвязаны изменения в шихтовом составе, исходном расплаве и расплаве после модифицирования и контроля по отбелу технологических клиньев;

- установлены оптимальные составы чугунов и разработаны технологические процессы их получения, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства отливок (А.С 1266892; А.С 1281600);

-установлено оптимальное соотношение комплексных добапок и разработаны способы их получения с заданными свойствами и геометрическими размерами

( А.С 1242535), обусловливающие повышение эффектиниостн процессов рафинирования, модифицирования II легироиания чугунов;

-определены и обоснованы оптимальные пределы содержания фильтрующей смеси извес-пГи-плавйкового шпата ( А.С 1397491), обеспечивающие снижение неметаллических включений и повышение механических свойств серого и ковкого с шаровидным графитом чугунов при обработки смесыо расплавов в литниковой системе;

-обоснованы оптимальные режимы термической обработки высокопрочных чугунов и стали 40Х, обеспечивающие увеличение долговечности образцов и коленчатых валов при различных условиях эксплуатации; показано, что независимо от режима предварительной обработки чугунных валов, закалка ТВЧ галтелей значительно повышает их сопротивление усталостному разрушению; -разработана методика оптимизации химического состава и основных технологических свойств чугунов для распределительных валов с целью достижения требуемых свойств и повышения износостойкости кулачков; -установлены оптимальные состав серого чугуна и параметры технологического процесса для изготовления распределительных валов с применением холодильников (температура разливки чугуна, скорости охлаждения рабочих поверхностей кулачков и сердцевины вала, материал кокиля и другие), обусловливающие повышение износостойкости рабочих поверхностей кулачков за счет образования ледебуритной структуры ( А.С 980955).

Практическая ценность работы: -Разработана технологическая схема и методика получения качественного чугуна и количественной оценки его основных свойств, позволяющая судить о целесоообразности изменения химического состава и состава шихты, замены одного модификатора другим,, определить время действия эффекта модифицирования, повысить прочность отливок и улучшить обрабатываемость чугунов резанием и , в ряде случаев , заменить дорогостоящие легированные чугуны . Предложенная методика нашла широкое внедрение в условиях массового про-

изводства чугунных отливок, массою до 4т и толщиной стенок 6-200 мм . Экономическая эффективность составила 88896 руб. (по расценкам 1984 г для станкостроительных отливок) и 6,9 млрд руб. ( по расценкам 1997 г для автомобильных деталей). Установлен оптимальный состав чугуна ( А.С 1281600) и-разработан технологический процесс получения из него отливок ( лопастей дробеметных машин), не склонных к трещинообразованию и обладающих высокими механическими свойствами (предел прочности до 680 МПа, абразивная стойкость до 220ч; ударная вязкость до 14,0 Дж/см2).

-Установлен оптимальный состав чугуна (авт. св. 1266892) и разработан технологический процесс получения из него отливок, имеющих высокую демпфирующую способность ( в 4 раза выше) и прочность на изгиб ( до 656 МПа ).В настоящее время закончены испытания и планируется внедрение резцедержателей из чугуна по предложенной технологии в производство (А.С 1281600). -Разработана технология получения комплексной добавки (КД) для обработки жидких чугунов ( А.С 1242535) .прошедшая опробование в условиях производства . Она позволяет повысить эффективность рафинирования, модифицирования и легирования чугунов ; способствует снижению количества неметаллических включений и возрастанию механических свойств чугуна. .Кроме того, снижаются трудо- и энергозатраты, исключается необходимость применения дорогостоящего специального оборудования, а также обеспечивается возможность получения комплексных добавок в любом виде, в зависимости от того где и как они применяются ( на струе, в ковше, в форме и т.д). -Разработана и освоена технология рафинирования чугунов фильтрующей смесью извести (50-80%) и плавикового шпата (20-50%) в литниковой системе (А.С 1397491), повышающая предел прочности в 1,3-1,5 и 1,3-1,9 раза, а относительное удлинение в 3,5-4 и 2-2,3 раза , соответственно, для серого и ковкого чугунов. ___________________

-Разработана технология изготовления коленчатых чугунных валов, применение которой в производстве ГАЗа обеспечивает получение качественных отливок и деталей для дизельного двигателя с турбонаддувом с высокими и ста-

бильными механическими свойствами (предел прочности более 850 МПа) Экономический эффект от внедрения данной работы составил 9,1 млрд руб. (по

ценам 1997 г). . • . .. _ _______

-Разработан технологический процесс изготовления сухих тонкостенных оболочковых форм (двух- и однослойных) для распределительных валов, позволяющих получать более мягкую сердцевину вала и меньшую склонность её к отбелу, по сравнению с обычной объемной сырой формой. -Установлены оптимальные химический состав и параметры технологических процессов изготовления распределительных валов из серого чугуна 1 (А.С 980955) с повышенной износостойкостью носиков кулачков. Экономический эффект выражается в увеличении продолжительности эксплуатации валов в 2-3 раза и составляет 12,59 млрд. руб.( по ценам 1997 г)

Основные положения, выносимые на защиту -технологическая схема регулирования и надежного контроля процесса получения качественного чугуна, а также количественной оценки его основных параметров , в которой взаимосвязаны изменения в шихтовом составе, исходном расплаве и расплаве после модифицирования, факторов времени и контроля по отбелу технологических клиньев; ..<

-установленный состав чугуна для отливок лопастей дробеметных машин ( в % С 2,4-3,2; Si 0,2-1; Мп 0,2-0,8;Сг 12-20; V 1-4; Си 0,5-2,4; Ti 0,1-0,4; Се 0,03-0,08; AI 0,1-1; В 0,005-0,08; N 0,01-0,08 и Fe- остальное) и разработанный технологический процесс его получения (А.С 1281600), обеспечивающие повышение предела прочности до 680 МПа, абразивной стойкости до 220ч и ударной вязкости до 14,0 Дж/см2;

-установленный состав чугуна для отливок резцедержателей (в %: С 3,5-4; Si 2,4-3; Мп 0,4-0,9; Си 0,1-0,4; РЬ 0,1-0,2; Р 0.25-0,4; Ва 0,03-0,05; Zr 0,001-0,01; Fe - остальное) и разработанный технологический процесс его получения ( А.С 1266892), обеспечивающие повышение демпфирующей способности до 4 раз и прочности на изгиб до 656 МПа;-

-установленное оптимальное соотношение компонентов комплексных добавок ( в%: кремнийсодержащие составляющие 15-79,9; активный наполнитель . 0,1-65; жидкое стекло 20-60) и разработанные способы их получения. ( А.С 1242535) с заданными свойствами, обусловливающие повышение эффек-тив-ности процессов рафинирования, модифицирования и легирования чугу-

нов; .:.. •; • ■ .. ;.....-. 7 . ,.. "Л :О • '

-обоснованные оптимальные пределы содержания в фильтрующей смеси извести (50-80%) и плавикового шпата (20-50%) и разработанные способы обработки расплава в литниковой системе (А.С 1397491), обеспечивающие повышение механических свойств серого и ковкого с шаровидным графитом чугу-

-обоснованные оптимальные режимы обработки высокопрочных чугунов (ВЧ 70; ВЧ 85), обеспечивающие увеличение циклической долговечности коленчатых валов; • ■ • . . • ... ' .V; .. " ■ -разработанную технологию изготовления коленчатых валов из высокопрочных чугунов для дизельного двигателя с турбонаддувом, обеспечивающую их стабильные механические свойства; ■ "....'-•. г.: п- --оптимизацию химического состава чугунов и основных технологических параметров для отливки распределительных валов , с целью получения требуемых свойств валов и повышения износостойкости кулачков, методом математического планирования эксперимента; •]

-установленные химический состав чугуна ( в %: С 3,2-3,5; Мп 0,7- 0,9; Б! 1,92,2; Э 0,08-0,12; Сг 0,2-0,3;. ОДР; N'1 0,1-0,2; Бе- остальное) и параметры технологического процесса изготовления распределительных валов из серого чугуна ( А.С 980955) с повышенной износостойкостью рабочих поверхностей кулачков; ■ ..Г. А'•>■'".'• -.■•..'■■'^ .•;.■".':-_гразработанные -технологические процессы изготовления распределительных - валов в тонкостенных оболочковых формахл :

Апробация работы: " Основные результаты ^докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:" Проблемы машиноведения",

г.Н.Новгород, НФ ЙМЛШ РАН, 1997 г;"Прогрессивные методы получения отливок ", г.Горький , 1983г;. "Пути совершенствования литейной технологии" , г.Горький ,1934г; Неметаллические включения и газы ", г.Запорожье ,1985г... «Совершенствование технологических процессов и повышения качества отливок из чугуна и цветных сплавов» , г.Андропов, 1984г.;«Пути повышения качества литых заготовок в машиностроении» , г.Горький ,1985 г.;"Прогрессивная технология получения отливок", Горький , 1987г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 17 печатных работах и 7 авторских свидетельствах. Всего опубликована 24 научных работы.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы (135 наименований) и приложения,включающего таблицы, рисунки и акты внедрения результатов работы.

232

Ддиссертации содержит страницы машинописного текста, .8С.рисунков и Ц 6 таблиц .

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность поставленных задач и сформулированы цели исследования.

В первой главе проводится анализ литературных данных по зависимости структуры и механических свойств чугунных отливок от химического состава, легирования, модифицирования и других параметров технологических процессов литейного производства ; по влиянию способов термической обработки и пластического деформирования на структуру; прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость, сопротивление усталостному разрушению, чувствительность к концентраторам напряжений, демпфирующую способность, износостойкость и обрабатываемость чугунов; по влиянию комплексов и режимов технологических процессов изготовления коленчатых и распределительных валов на их работоспособность в различных условиях эксплуатации.

Результаты анализа показывают, что на структуру и механические свойства чу-гунов, характеризующихся большим разбросом экспериментальных данных., оказывают влияние многие факторы, совместное действие которых оценить практически невозможно. Формулы и диаграммыТпрёдлагаемые в литературе ( например, номограмма А.Ф.Ланда, уравнения Н.Г.Гиршовича и др.) для оп-: тимизации химического состава , жидкого состояния чугуна , методов и режимов термической обработки и др. с целью получения заданных структуры и свойств, не являются универсальными и имеют ограниченное применение только в качестве первого приближения для тех условий и технологических параметров, на основании которых они получены, Кроме того, сделан вывод, что четкой корреляции пределов прочности и текучести, а также твердости чу-гунов с их сопротивлением усталости не обнаруживается. • В соответствии с анализом опубликованных в печати работ ставятся задачи исследования и обосновываются пути для их решения.

Во второй главе представляются разработанные автором диссертации схема оперативного контроля и регулирования параметров технологического процесса изготовления чугунных отливок , комплексный подход к решению вопросов по улучшению механических свойств.

Известно, что структура, (п3) , а следовательно , и эксплуатационные свойства зависят от химического состава и состава шихты (П|), от жидкого состояния и скоростных и временных'условий протекания процесса (п2). Таким образом, можно выразить, что ; • ■ ' _ . п3= £ (щ • п2). . • - . • (1)

Известно , что химический состав и состав шихты (щ) контролируется в • первую очередь , - механизмом влияния элементов (1111), через : изменение термодинамического процесса графитизации при легировании, воздействие химических элементов на положение критических точек диаграммы «Ре- С», рлия-ние атомного строения элемента на его активность й др. Влияние различных факторов на щ можно'обозначить так: ' • '

Ш2 - влияние основных элементов С. Б), Мп, Б, Р и их сочетаний.; П1з - влияние легирующих элементов Сг, Мо, \У, V, Си и др.; т4 - влияние газов - Нг, Ог, И2; / * ■■.- • Ш5 - влияние наследственных факторов; пм - влияние прочих не учтенных факторов; На параметр доказывают влияние следующие факторы ; Б, - перегрев и выдержка чугуна в жидком состоянии; Б2 - интенсивность модифицирования;

- параметры легирования;

- условия плавки (вид плавильного агрегата или их комбинация); Ц5 - время кристаллизации и скорость охлаждения; .

- технологические факторы (конструкция отливки);

131 - прочие; ... '

Следовательно формула (1) может быть развернута и представлена в виде

п3=Г(ш1т2т3ш4.....т^ •'ф^^Ц,......О;). (2)

Формула (2) дает общее качественное представление о влиянии многочисленных факторов на структуру и свойства чугуна, которое оказываются в действительности весьма сложным и неоднозначным. . ..

Для практического использования в условиях производства предлагается .схема контроля и количественные оценки основных параметров, а также оперативного управления комплексом технологических процессов получения высококачественного чугуна (рис. 1, 2), где

пг химический состав и состав шихты ;

п2- жидкое состояние расплава, скоростные и временные условия

протекание процесса . ." -

пз-структура (эксплуатационные свойства) ..'..- ■ _

т П2 Пз

К1

Кг

| Рис.1 Схема получения качественного чугуна.

I Обозначения на схеме:

I К] - отбел на технологическом клине до модифицирования (характерис-тика'исходного состояния расплава);

К2-отоел на технологическом клине после модифицирования (характе-. ристики окончательного состояния расплава).

Отбел на технологическом клине до модифицирования К! дает оценку комплексного влияния П) и п2, то есть всего многообразия влияния факторов

(т,т2т3т4т3.......т^ и (О^ОзО^____Б|) ,что позволяет судить о необходимости изменения химического состава, состава шихты, температуры и времени выдержки металла и т.д., вести оперативный контроль и корректировать процесс.

Отбел К2 ( после модифицирования) непосредственно зависит от К], а так же от количественного и качественного состава модификатора , от скорости кристаллизации и охлаждения и т.д. и позволяет судить о необходимости своевременной замены одного модификатора другим, оценить действия эффекта модифицирования и т.д.

Для повышения прочности отливок, с одной стороны , необходимо увеличение К) и К2, но тогда ужесточаются требования к чугуну ,за счет уменьшения углеродного эквивалента и увеличения количества стали в шихте, изменяются также режимы плавки. С другой стороны, для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием К) и К2 необходимо снизить. Качественная и количественная оценка корреляции параметров (п,, п2, пз и К|(К2) позволяет получать оптимальные высокие свойства чугунов при минимальной стоимости изготовления отливок (рис.2). "

Марка чугуна и отбел технологических клиньев

° 215

21) '1П 1С)

Содержание углерода («С»") и отбел

1:Ч2П-Р|25 |:1Ш-1?135 •. Марка чугуна

Сечение до модифи- после моди-отливки (мм) дарования фицирования

<10 1 Г

10-20 2 2'

20-50 3 3'

50-100 4 4'

2.11 2/1 г 1.1; 1,2 tl.ll

\

• V, \ -

. ч \г •

\ Ч ...

N К

\ ч " >

/] •

4 • II 12 .113. 2(1 г Отбел, мм

1 -«С» - общий

2-«С»свободный (графита)

3-«С»- вносимый шихтой

4-«С»- вносимый при на-углераживании

Рис.2 Номограмма зависимости марки чугуна от величины отбела на технологических клиньях, шихтового состава и содержания углерода.

На рис.2 приведена номонограмма зависимости величины отбелов на технологических клиньях К| и К2 (для различных сочетаний толщины отливки и механических свойств чугуна) от содержаний углерода общего С0б, и связанного Сс, вносимого металлической составляющей шихты Смст. и введенного при наугле-раживании С„.

Данная номограмма с большой точностью позволяет рассчитать основные компоненты шихты (чугун, сталь) при постоянном количестве возврата,

определить химический состав, общее содержание углерода , а так же оперативно контролировать технологический процесс и регулировать его параметры. Разработанная методика прошла опробование в цеховых условиях, при

производстве станкостроительных отливок ( станин, корпусов, столов и других) , с массой до 4000 кг и толщиной стенок до 200 мм.; она позволила сократить количество «свежих» , и передельных чугунов в шихте при изготовлении отливок для деталей автомобилей, заменить их стальными отходами и достичь-эффективного модифицирования. При этом отклонений от установленных требований по структуре, твердости и прочности чугуна в отливках обычно не наблюдается. ,

В этой же главе приводится решение конкретных задач , основанных на использовании предложенной технологической схемы.

Для получения серого чугуна износостойких марок обычно рекомендуется легирование хромом, медью, молибденом, никелем и другими элементами. Однако, при этом не только повышается себестоимость отливок, но и усложняется технология. Но есть и другой путь решения проблемы. Если исходить из условий того , что отливки лопастей дробеметных машин не требуют механической обработки, то отбел К| должен быть максимальным ,а отбел Кг-не лимитируется (рис.1) . На основе приводимых выше рассуждений наиболее простым и рациональным оказывается решение, согласно которому, повышение стойкости для такого класса отливок можно осуществлять за счет изменения шихтового и химического состава . Действительно, наши исследования показывают, что если взять для отливок лопостей дробеметных машин за основу чугун с составом (мае. %): С 2,6; Б! 0,5; Мп 1,2; Сг 12; V 1; Си 0,5; "Л 0,5; Се 0,06 и Ре - остальное и обеспечить содержание углерода в пределах 2,4-3,2 , а кремния 0,2-1, то получается равномерная структура с наличием в ней твердых и теплостойких карбидов, в количестве достаточным для обеспечения высоких значений абразивной стойкости , прочности при растяжении и ударной вязкости. При этом, содержание марганца должно находится в пределах 0,2-0,8 %; если концентрация марганца ^ладьще. нижнего предела, то при охлаждении отливки в чугуне образуется структура перлита, а при содержании марганца выше верхнего предела падает твердость не только в литом состоянии, но и после

термической обработки, за счет повышенного содержания остаточного аустс-нита.

Таким образом , нами установлен оптимальный состав чугуна ( Л.С 1281600), мас.% :С 2,4- 3,2; 0,2-1; Мп 0,2-0,8; Сг 12-20; \'1-4; Си 0,5-2,4; И 0,1-0,4; Се 0,03-0,08; А10.1-1; В 0,005-0,08;К 0,01-0,08 и Ре - остальное. . По сравнению с ранее известным , предлагаемый состав чугуна содержит не только содержание основных компонентов , но также дополнительные легирующие элементы: алюминий, бор. и азот. Присадка А1 и Т1, кроме того, раскисляет чугун, способствует, образованию мелкодисперсных нитридов и карбидов, улучшению свойств расплава и изменению условий кристаллизации. В итоге стабилизируются мехгИшческие и эксплуатационные свойства чугуна. Отливки из предлагаемого чугуна не склонны к трещинообразованию, за счет получения после термообработки мартенситно-карбидной структуры с равномерным распределением твердых и стойких к воздействию температур карбидов хрома (СЧ7С3) и ванадия (УС). Он обладает также высокими механическими свойствами: предел прочности до 680 МПа , абразивная стойкость до 220, и ударная вязкость до 14,0 Дж/см2.

В случае же , когда требуются достаточно высокие механические свойства и высокая демпфирующая способность (то есть технология изготовления чугунных отливок должна обеспечить получение графита пластинчатого с фер-рито-перлитной металлической матрицей) отбелы К| и К2 должны быть минимальными. Это достигается за счет комплексного подбора: химического состава, модифицирования и скорости охлаждения.

Установлен также оптимальный состав чугуна ( А.С 126892), мас.%: С 3,5-4; Б! 2,4-3; Мп 0,4-0,9; Си 0,1-0,4; Рв 0,01-0,2; Р 0,25-0,4; Ва 0,03-0,05; Ъх 0,001-0,01, Бе - остальное, в котором вновь вводимые фосфор, барий и цирконий обеспечивают получение в литом состоянии ферритной структуры металлической основы с включениями графита (60-200 мкм) , а также повышение демпфирующей способности серого чугуна до 4 раз и его прочности на изгиб с 600 до 656 МПа .

Разработанная автором схема контроля и регулирования технологического процесса (рис.1) позволяет ещё осуществить решение задачи по получению высоких механических свойств и хорошей обрабатываемости чугунов из условия , когда требуется отбел К1 - максимальным, а отбел Кг- минимальным. Факторы , повышающие отбел К| рассматривались выше . Достижение минимального значения отбела К^ при максимальном отбеле К; может быть обеспечено двумя путями:

- интенсификацией действия модификатора ( продление эффекта модифицирования) , за счет подбора его состава и увеличения количества;

- сокращением времени от момента ввода модификатора до начала кристаллизации.

С этой позиции наиболее целесообразным оказывается внутриформенное модифицирование.

С целью повышения эффективности процессов модифицирования , рафинирования и легирования чугунов нами проведены исследования по разработке комплексной добавки и способа ее получения с заданными свойствами и геометрическими размерами. Установлено оптимальное соотношение компонентов ( А.С 1242535) мае. %: кремнийсодержащая составляющая 15-79,9; активный наполнитель 0,1-65; жидкое стекло 20-60. Предлагаемый способ получения комплексной добавки (КД) включает операции размола, смешивания компонентов, ввода жидкого стекла и формообразования за счет протекания экзотермической реакции с выделением газа и увеличением первоначального объема. Обеспечивается простота .производства КД (практически любого химического состава) и его малоотходность, поскольку в качестве исходных материалов могут применяться отходы металлургической промышленности; не требуется введения специальных отвердителей, снижаются трудо - и энергозатраты, исключается дорогостоящее специальное оборудование. Кроме того , обеспечивается возможность изготовления КД в любом виде , разшлх размеров и плотности в зависимости от условий потребителей и целей применения (для легирования, модифицирования или рафинирования).

В работе исследовался эффект модифицирования и рафинирования в зависимости от количественного соотношения в фильтрующей смеси извести и плавикового шпата. Установлены оптимальные пределы их содержания (5080% извести и 20-50% плавикового шпата), а также способы обработки расплава в литниковой системе ( А.С 1397491) для получения серого и высокопрочного с шаровидным графитом чугунов . Для обработки серого чугуна ( состав, мае. %: С 2,5; 1,5; Мп 0,4; Сг 0,6; Б 0,12; РЗМ 0,0,4), выплавленного в электропечи, на каждой форме устанавливают литниковое устройство с заложенными в него 0,15 мае. % лигатуры СЦЕМИШ-1 и 0,1 мае. % ферросилиция марки ФС-75. Расплав пропускают через стол о фильтрующей смеси при соотношении извести и плавикового шпата 1: (0,18-1,5), что обеспечивает повышение предела прочности чугуна в 1,3-1,5 раза и относительного удлинения в 3,54 раза. Для получения чугуна с шаровидным графитом в электропечи выплавляют чугун ( состав, мае. %: С 2,6; 1,2 Мп 0,6; Сг 0,06; Б 0,1; М5 0,03; Ре -остальное), который затем перегревают до 1530° и выпускают в разливочный ковш. На каждой литейной форме устанавливают литниковые устройства, содержащие 0,1 мае. % магния, под который размещают столб фильтрующей смеси из извести и плавикового шпата. После термической обработки образцов обеспечивается повышение предела прочности чугуна в 1,3-1,9 раза и относительного удлинения в 2-2,3 раза, по сравнению с чугуном без обработки смесью кальцийсодержащих веществ.

В третьей приводятся результаты исследований по оптимизации параметров технологического процесса изготовления коленчатых валов для дизельных двигателей с турбонаддувом.

Чем сложнее и ответственнее отливки , тем более тщательно отрабатываются методы обработки по повышению её эксплуатационных свойств. Производство изготовления коленчатых валов включает целый комплекс технологических процессов ( начиная с подбора шихты и химического анализа и закапчивая методами контроля готовых деталей после механической обработки).

Предварительно в работе на образцах (с радиусом галтелей II 5 и 10 мм) из высокопрочшлх чугунов ВЧ70 и ВЧ85 и стали 40Х были проведены сравнительные испытания на циклический изгиб с вращением частотой 50 Гц после

-----различных видов термической обработки (старение, нормализация, улучшение,

закалка ТВЧ).

Анализ экспериментов показывает, что закалка ТВЧ галтелей, независимо от режима предварительной термической обработки чугунов и стали 40Х, значительно улучшает сопротивление материалов усталостному разрушению. Например, циклическая долговечность образцов из чугуна ВЧ85 с закалкой ТВЧ галтелей в 12 раз выше, чем без закалки. Сопротивление усталости образцов из чугуна ВЧ85 после старения и закалки ТВЧ галтелей в 28 раз превышает сопротивление усталости стальных образцов после улучшения. Увеличение радиуса галтелей с И 5 до Я 10 приводит к увеличению долговечности образцов из чугунов в 20 раз. Полученные результаты учтены при разработке комплекса технологических процессов изготовления литых чугунных коленчатых валов.

Производство отливок осуществляется в песчано-глинистые формы, с внутриформенным модифицированием лигатурой ФСМг5 (фракцией 1-5 мм) в количестве 1% от металлоемкости формы. Металл выплавляется дуплекс процессом (индукционная тигельная печь ЫТЭ25- индукционная канальная печь 1ЛЧ145). Температура выдачи металла из канальной печи 1450- 1480°С. После анализа результатов испытаний оптимальной принята литниковая система с питанием во фланцевую часть коленчатого вала через прибыль, (с соотношениями сечений Рст: Рвх.в р.к: Бвых-из р.к.: Рвх.в приб..: Рпит.=1,2:2,0:1,8:1,0:1,9), с одной реакционной камерой на отливку, по двух значной модели, с установкой шамотного фильтра. Данная литниковая система, при температуре заливки 1380-1420°С и времени заливки 17-20 с. характеризуется следующими весовыми характеристиками: масса детали - 42 кг; масса отливки - 55 кг; масса литниковой системы на отливку-43кг; металлоемкость формы- 196 кг. Для улучшения структуры, а следовательно, усталостных и других механических свойств коленчатых валов была проведена исследователь-

екая работа по повышению марки чугуна с ВЧ70 до ВЧ85, что было достигнуто путем легирования жидкого чугуна медью, в количестве 0,9-1,3%, вместо ранее применяемого легирования марганцем , в количестве 1,1-1,3%. Химический состав чугуна, легированного медью , соответствует, в %: С 3,5-3,7; Б! 1,4-1,7; Мп 0,4; Сг 0,15; Б 0,02; Р 0,01; Си 0,9-1,3.

Повышение механических свойств чугуна наблюдалось также при увеличении в составе шихты доли стальных отходов, более 50%, взамен передель-' яых чугунов. По этой технологии получаются отливки коленчатого вала, имеющие микроструктуру : графит - ШГф4,5-ШГд15-90-(ШГф1,2,3+ВГфЗ до 5%) метал-лическая основа - Пт1, сорбит, феррит до 5% и механические свойства : предел прочности при растяжении более 850МПа, предел текучести более 480 МПа, относительное удлинение более 5% и твердость 260-289 ед.НВ. Для обеспечения стабильности механических свойств, соответствующих марке чугуна ВЧ85, коленчатые валы должны проходить термообработку по следующему режиму: нагрев до температуры 550-580°С, выдержка при температуре 550-580°С- 5 часов и охлаждение с печью до температуры не выше 150°С, далее на воздухе. Средние механические свойства металла коленчатых валов, по 6 мм образцам, вырезанных из 5-й коренной шейки, составляют:ау=888 МПа стт=495 МПа; 5= 6,1%; НВ= 289. С целью исключения образования горячих трещин при выбивке отливки на литейном конвейере увеличены время охлаждения отливок в форме с 30 до 50 минут и радиус галтелей литой заготовки с Я 3 до Я 10 мм.. Во избежание брака по раковинам на шейках коленчатого вала был увеличен припуск на механическую обработку с 2 мм до 4,5 мм, а на 1 и 5 коренных шейках до б мм. Усадочная пористость на внутренних поверхностях шатунных шеек, по линии разъема, ликвидируется с помощью установки приливов-холодильников. Установлено , что конструкционная прочность детали коленчатого вала возрастает с увеличением толщины сечения щек с 100 мм до 130 мм и с применением закалки ТВЧ шеек вместе с галтелями. В литейном цехе введен 100% ультразвуковой контроль формы графита в микроструктуре прибором МА'Г-А-ЧЕК. С целыо исключения попадания коленчатых валов

(после окончательной механической обработки) с трещинами на двигатели был внедрен 100% неразрушающий контроль методом магнитно-порошковой дефектоскопии. При испытаниях на усталость чугунных и стальных коленчатых валов, изготовленныхиз ВЧ70, ВЧ85 и стали 4ОХ и обработанных по различным технологическим режимам, с помощью тензодатчиков определялись напряжения в галтелях при нагрузках Р=10-50 кН. Обнаружено, что при нагрузке 50кН уровень действующих напряжений в галтелях вала из чугуна ВЧ70 составляет 450МПа. Статистическая обработка результатов экспериментов показывает, что сопротивление усталости на базе 2-Ю6 циклов коленчатых валов из стали 40Х с нормализацией на 11% ниже, чем с улучшением. Циклическая долговечность валов из чугунсз ВЧ70 до проведения комплекса мер по повышению усталостных свойств коленчатого вала на порядок ниже, чем у стальных валов, что не давало возможности применять их для дизельного двигателя с турбонаддувом.

Установлено, что независимо от режима предварительной обработки закалка ТВЧ галтелей значительно повышает долговечность чугунных коленчатых валов. Увеличение щеки до 130 мм коленчатых валов из чугуна ВЧ70 повышает на порядок их циклическую долговечность. Закалка ТВЧ галтелей дополнительно повышает в 3,3 раза долговечность валов с увеличенной щекой. Для повышения циклической долговечности коленчатых валов из высокопрочного чугуна рекомендуется получение однородной структуры металлической основы и сфероидальной формы графитовых включений, выбор оптимального ( в соответствии с условиями эксплуатации ) режима термообработки и.приме-, нение закалки ТВЧ галтелей улучшение качества механической обработки валов. Данным требованиям соответствует марка чугуна ВЧ 85 , полученная по разработанной технологии.

В четвертой главе приводятся результаты исследований по оптимизации параметров технологического процесса изготовления литых распределительных валов с целью повышения их прочности и износостойкости кулачков. Исследования проводились для выбора оптимальных технологий изготовления

литейной формы, способа отбеливания кулачков, химического состава чугуна и температуры заливки, температуры перегрева и т.д. Анализ данных по экспериментам на распределительных валах, отлитых в обычную объемную сырую и предлагаемую автором сухую оболочковую ( сухая смола ПК1, 'жидкостеколь-ная смесь по СОг-процессу и тепловым отверждением ) формы, показывает , что обе формы создают одинаковые условия для первичной кристаллизации ( со скоростью 35-45°С/с) и получение отбеленного слоя, Однако, замедленное охлаждение в сухой оболочковой форме ( со скоростью 7,8°С/с) по сравнению с объемной (1б,6°С/с) при вторичной кристаллизации позволяет получить более мягкую сердцевину шейки вала и меньшую её склонность к отбелу. Точность отливок из оболочковой формы значительно выше. Размерная точность отливок по оболочковой форме относительно размеров модели, составляет: диаметр опорной шейки 59,2+0,34 мм .длина 606"027 мм. Размерная точность отливок по обычной форме : диаметр опорной шейки 59,2"1,02 мм; длина 606+5 мм. Исследования теплотехнических свойств холодильников, изготовленных из железа, чугуна, меди и алюминия, позволяет установить, что наибольшая глубина от-бела (до 5-6 мм) кулачков достигается с применением чугунных внешних холодильников. С повышением температуры заливки с 1370°С до 1430°С глубина отбела кулачков уменьшается в два раза. Оптимальный вес кокиля равен 190 гр., что к массе кулачка составляет отношение 1:1.

Сухая оболочковая форма (рис.3), по сравнению с обычной объемной, позволяет значительно уменьшить расход формовочных материалов, снизить трудоемкость изготовления и улучшить условия труда.

Оптимизация состава чугуна и температура заливки проводилась экспериментальным методом. По проведенным многочисленным экспериментальным плавкам (в индукционной тигельной печи ИСТ-016, емкостью 150 кг)выявлено, что при степени эвтектичности чугуна, равной 0,97, с низким содержанием Сг=0,24% в отбеленном слое присутствует графит. Повышение в ледебурите

7 Рис. 3 Сухая трехзначная оболочковая форма : доли перлита выше 15% приводит к появлению полос перлита в ледебурите. Сделаны предварительные выводы по установлению влияния основных элементов на структуру чугуна. Полученные данные позволили поставить задач} по оптимизации состава чугуна и температуры заливки методом математического планирования эксперимента. Был выбран дробный факторный эксперимент 1/16 реплики типа 2, матрицы планирования которого: (1) авсГ; acfg; ас^; все£; ЬсН^; cdef. Параметрами оптимизации приняты: твердость НВ.С отбеленного слоя, твердость НВ опорной шейки, глубина отбеленного слоя в мм. Основными факторами оптимизации являются химический состав по С,81,.Мп, Б, Сг, температура перегрева и температура заливки.; . .

По полученным уравнениям регрессии (в количестве 20) был установлен следующий оптимальный химический состав чугуна, мас,%: С 3,2-3,4; 1,9-2,2; Мп 0,7-0,9; Б 0,08-0,12%; Сг 0,2-0,3; N1 0,1-0,2, Р< 0,1, Ре-остальное. Температура заливки принята 1375-1400°С. ■ •

Разработана также технология изготовления распределительных валов из этого чугуна, которая обеспечивает повышенную износостойкость носиков кулачков (А.С 980955), вследствие образования ледебуритной структуры кулачков и фёрритно-перлитной структуры сердцевины вала. Она включает заливку жидким чугуном предлагаемого состава при температуре 1375-1400°С оболочковой формы с установленными чугунными холодильниками , охлаждение металла

при первичной кристаллизации со скоростью 35-40°С/с в носике кулачка и б)4-0.5°С/с в центральной части вала;. Эти скорости обеспечиваются тонкостенной оболочковой формой. Разработанная технология внедрена на ГАЗе. Экономический эффект использования предлагаемой технологии в производстве выражается в увеличении продолжительности эксплуатации распределительного вала в 2-3 раза. • '.'.""

Общие выводы

1. Разработана технологическая схема регулирования и контроля технологического процесса получения качественного чугуна, а также количественной оценки его основных параметров, в которой взаимосвязаны изменения в шихтовом составе, исходном расплаве и расплаве после модифицирования , а также контроля по отбелу технологических клиньев.

2.. Установлен состав чугуна (в %: С 2,4-3,2; в! 0,2-1; Мп 0,2-0,8; Сг 12-20; V 1-4; Си 0,5-2,4; И 0,1-0,4; Се 0,03-0,08; А1 0,1-1; В 0,005-0,08; N 0,01-0,08 и Бе - остальное) и разработан технологический процесс его получения ( авт. св. 1281600), обеспечивающие повышение предела прочности до 680 МПа, абразивной стойкости до 220ч и ударной вязкости до 14,0 Дж/см2, за счет получения мартенситно-карбидной структуры после термообработки с равномерным распределением твердых и стойких к воздействию температур карбидов хрома и ванадия.

3. Установлен состав чугуна (в %: С 3,5-4; 2,4-3; Мп 0,4-0,9; Си 0,1-0,4; Рв 0,01-0,2; Р 0,25-0,4; Ва 0,03-0,05; Ъх 0,001-0,01; Ре- остальное) и разработан технологический процесс его получения (А.С 1266892), которые обеспечивают повышение демпфирующей способности серого чугуна до 4 раз и его прочности на изгиб до 656 МПа, за счет образования ферритной металлической основы отключениями графита, размером 60-200 мкм.

4. Установлено оптимальное соотношение компонентов комплексных добавок

( в %: кремнийсодержащие составляющие 15-79,9; активный наполнитель 0,1-65; жидкое стекло 20-60) и разработаны способы их получения с задан-

ными свойствами и геометрическими размерами (А.С 1242535), обуславливающие повышение эффективности процессов рафинирования, модифицирования и легирования чугунов и увеличения их механических свойств.

5. Установлены оптимальные пределы содержания в фильтрующей смеси из-

вести (50-80%) и плавикового шпата (20-50%) и разработаны способы обработки расплава в литниковой системе (А.С 1397491), повышающие предел прочности в 1,3-1,5 и 1,3-1,9 раза, а относительное удлинение в 3,5-4 и 2-2,3

• раза, соответственно, для серого и ковкого с шаровидным графитом чугунов. |'

6. Установлено, что для повышения циклической долговечности чугунных коленчатых валов до уровня, соответствующего требованиям условий эксплуатации, необходимо : получение однородной структуры металлической основы и сферовидных форм графитовых включений; после термической обработки по оптимальному режиму дополнительная закалка ТВЧ галтелей; увеличение щеки ( до 130 мм) и улучшение качества механической обработки. Этим требованиям соответствуют коленчатые валы полученные из чугуна

' ВЧ 85.

7. Разработан технологический процесс изготовления качественных чугунных отливок и деталей коленчатых валов из чугуна ВЧ 85 для дизельного двигателя с турбонаддувом, обеспечивающий их высокие стабильные механические свойства.

8. Разработаны технологические процессы изготовления литых распределительных валов в оболочковых формах , позволяющие получить более мягкую сердцевину вала и обеспечить меньшую склонность чугуна к отбелу, по сравнению с обычной объемной формой.

9. Установлено, что при увеличении теплоемкости холодильника в 2 раза и те-

пло-проводности в 7 раз, за счет изменения материала холодильника (медь, железо, чугун, алюминий), глубина отбела возрастает с 1 до 6 мм. Наибольшая глубина отбела, равная 5-6 мм, кулачков наблюдается при использовании чугунного внешнего холодильника.

10. Методом планирования эксперимента определены химический состав чугу-• : на и основные технологические параметры для отливок распределительных валов с целью получения требуемых прочностных свойств и повышения износостойкости кулачков.' - • ; V. ■■■•.;.-..

11. Установлено оптимальное содержание-химических элементов в чугуне ( в %: С 3,2-3,5; 1,9-2,2; Мп 0,7-0,9; Б 0,08-0,12; Сг 0,2-0,3; Р до 0,1; № 0,10,2; Бе- остальное) и разработана технология изготовления из него распределительных валов ( А.С 980955) с повышенной износостойкостью носиков

. кулачков, которая достигается 1 применением холодильников из чугуна, вследствие образования ледебуритной структуры кулачков и ферритно-перлитной структуры сердцевины вала. Продолжительность эксплуатации распределительного вала при отливке по предлагаемой технологии возрастает в 2-3 раза. ,. .'.•.--'"Г-

12. Суммарная экономическая эффективность от реализации в производстве научно-технических разработок составляет 88896 руб.( по расценкам 1987 г)

и 28,59 млрд. руб. ( по расценкам 1997 г) . Расчеты экономической эффек-

* .... тивности подтверждены актами внедрения. •

' - Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах: -• ' : ' • •"

1. Колпаков А.А., Фишер В.Б., Онгаро Л.А., Воронин Е.Г. Получение высококачественного серого чугуна.- Литейное производство, 1985, № 2. С.5-6. ■

2. Колпаков А.А., Захаров В.А.,- Шебатинов М.П., Воронин Е.Г. Получение высококачественных серых чугунов для отливок станкостроения,- Литейное производство, 1986, № 12. С.5-6. ' • ■ ' • - : •", -

3. А.С. 1638898 (СССР) Смесь для изготовления литейных форм и стержней / А.А.Колпаков и др., опубл. в БИ№ 1, 09.01.91. ; '' ° .•

4. Колпаков А.А., Зуев М.П., Долженков В.Н., Пигаев Е.Д., Колганов В.Нг Разработка процесса производства лигатуры ФСМг5. - В сб.: Управление строением отливок и слитков /Межвузовский сборник научных трудов вып. 8 -Н.Новгород: НГТУ, 1997. С.44-45. ; . ' " г : ;;

5. Колпаков Л.Л., Зуев М.П., Старостин В.Н., Зиновьев ]О.А., Филиппов Л.В., Мишин Н.Г. Освоение литого дизельного коленчатого нала из высокопрочного чугуна .- В сб.-.Управление строением отливок и слитков /Межвузовский сборник научных трудов, вып. 8- Н.Новгород: НГТУ, 1997. С.45-47.

6. Колпаков A.A. Исследование возможности применения коленчатых валов двигателей автомобилей ГАЗ -5441 из высокопрочного чугуна. -В сб.: Проблемы машиноведения /Тезисы докладов научн.-техн. конф,- Н.Новгород: НФ ИМАШ РАН, 1997. С.69. . . .

i. Платонов Б.П., Колпаков A.A. Литые распределительные валы автомобильных двигателей,- В сб.: Управление строением отливок и слитков /Межвузовский сборник научных трудов, вып. 8- Н.Новгород: НГТУ, 1997 . С.56-59.

8. Платонов Б.П., Колпаков A.A. Оптимизация технологии чугунных распределительных валов.- Известия Инженерно-Технологической Академии Чувашской Республики,- г.Чебоксары: Машиностроение, 1997. С. 188-196.

9. Колпаков A.A., Героцкий В.А. Изучение возможности получения чугунных отливок без прибылей - В сб. : Пути повышения качества литых заготовок в машиностроении /Тезисы областной научн.-техн. конф, - г. Горький, С.26-27.

10. А.С.1397491 (СССР). Способ обработки чугуна в литниковой системе /В.Б.Фишер, А.А.Рыжиков, А.А.Колпаков, В.Ф.Иваненко, И.В.Красильников, опубл. в БИ№ 19,23.05.88.

11. A.C. 1281600 (СССР). Износостойкий белый чугуй /МЛ.Шебатинов, И.В.Красильников, П.П.Сбитнев, А.А.Колпаков, опубл. в БИ № 1,07.01.87.

12. A.C. 1266892 (СССР). Серый чугун / М.ШИебатинов, P.C. Кудрявцев, В.В.Красный, П.П.Сбитнев, А.А.Колпаков , опубл. в БИ № 40, 30.10.86.

13. A.C. 980955 (СССР). Способ получения отливок автомобильных распределительных валов /Б.П.Платонов, А.А.Колпаков, опубл. в БИ № 46, №_1.5Л2.82___

14. А.С.1303248 (СССР). Смесь для изготовления литейных форм и стержней /Ю.А.Зиновьев, АА.Колпаков, Б.К.Кирюшкин, М.Е.Крупкина, А.М.Сысонов, В.А.Феофанов, Р.Л.Киселева, опубл. вБИ№ 14,15.04.87.

15. А.С.1242535 (СССР), Комплексная добавка и способ ее получения /А.А..Рыжиков, А.А.Колпаков, Л.А.Онгаро, В.Б.Фишер, Б.В.Глушков, И.В.Красильников, опубл. в БИ № 25, 07.07.86.

16. Качалкин Г.С. , Колпаков A.A., Крупкина М.Е. Противопригарная краска для стержней и форм стальных отливок - Литейное производство, 1979, № 3. С 34.

17. Фишер В.Б., Иваненко В.Ф., Колпаков A.A. Структурообразование модифицированного доэвтектического чугуна -В сб: Совершенствование технологических процессов повышение качества отливок из чугуна и цветных сплавов,

\

г. Андропов, 1984. С. 129.

18. Фишер В.Б., Иваненко В.Ф., Колпаков A.A. Повышение и регулирование свойств серого чугуна по сечению отливок - В сб.: Прогрессивные методы получения отливок / Тезисы докладов научно-технической конференции.-гГорысий, 1983. С.11-12.

19. Иваненко В.Ф., Колпаков A.A., Лашин В.И., Сокольников Г.И. О десульфу-рации чугуна в кокильные вагранки.- Литейное производство, 1984, № 3. С.31.

20. Иваненко В.Ф., Колпаков A.A. Литниковая система из пенополистирола вихревой воронки' для суспензионной запивки отливок.- Литейное производство, 1984, N° 2. С.32.

21. Колпаков A.A., Бабаев В.И., Пигаев Е.Д., Зиновьев Ю.А. Литье на газифицируемым моделям под вакуумом.- В сб.:Управление строением отливок и слитков /Межвузовский сборник научных трудов, вып.Е- Н.Новгород: НГТУ, 1997, с.75-76.

22. Зиновьев Ю.А., Ускимбаева Е.К., Колпаков A.A. Испытание образцов на ;рез по СОг - процессу вместо испытания сухих образцов на разрыв - Горький: ИНТИ,. инф. лист. № 121-851.

23. Героцкий В.А., Резник В.А., Колпаков A.A. Особенности испытания отли-зок из высокопрочного чугуна. - В сб.: Прогрессивная технология получения этливок /Тезисы доклада областной научн.-техн. конф.- Горький, 1987. С.10-11.

24. Чураев В.М., Зуев М.П. Колпаков А.Л., Зиновьев Ю.А. Литейное производство ОАО "ГАЗ".- В сб.: Управление строением отливок и слитков