автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка новой технологии производства чугуна с вермикулярным графитом для деталей гидрооборудования

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Общие сведения о ЧВГ

1.2. Морфологические особенности ЧВГ

1.3. Эксплуатационные требования к материалу отливок гидрооборудования

1.4. Резюме по литературному обзору и постановка задачи исследования

2. Методика проведения исследований

2.1. Металлургическая часть

2.2. Методика определения износостойкости чугуна

2.3. Методика ускоренного определения эрозионной стойкости чугуна

2.4. Методика определения эксплуатационной стойкости золотниковых гидрораспределителей

2.5. Методика определения эффективности различных модификаторов

2.6. Методика определения растворимости комплексных модификаторов

3. Исследование различных эксплуатационных качеств ЧВГ по сравнению 32 с другими типами чугунов

3.1. Исследование износостойкости

3.2. Исследование эрозионной стойкости и гидроплотности

3.3. Исследование эксплуатационной стойкости

3.4. Практические исследования обрабатываемости ЧВГ в производственных условиях

В настоящее время в связи с усилением требований по надежности изделий машиностроения вопросы разработки новых материалов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками, приобретают особую актуальность.

Наметившиеся в последние годы изменения в ценовой политике, следствием которых является рост цен на шихтовые материалы и связанное с этим повьппение стоимости литых заготовок для различного рода машиностроительных деталей, становятся дополнительным стимулом для изыскания новых типов прогрессивных конструкционных сплавов на основе железа, сочетающих в себе сравнительно низкую себестоимость и высокие служебные и технологические показатели.

В первую очередь к материалам подобного рода следут отнести высокопрочные чугуны с вермикулярным и шаровидным графитом.

Замена традиционных серых чугунов и углеродистых сталей на ЧВГ и ЧШГ является значительным резервом повышения надежности и долговечности продукции машиностроения и что наиболее важно - снижения материалоемкости и стоимости изделий.

Наибольший экономический эффект может бьггь достигнут за счет применения ЧВГ и ЧШГ для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях экстремальных механических нагрузок, давления, трения, низких и высоких температур и теплосмен. К подобным изделиям относятся прежде всего корпусные элементы гидропневмосмазочного оборудования, силовые элементы гидроприводов, различного рода насосы, клапаны, гидрораспределители и ряд других.

В настоящее время для изготовления корпусов элементов гидропневмосмазочного оборудования наиболее широкое распространение получили серые чугуны марок СЧ-20, СЧ-25 и СЧ-30, весьма ограниченно используется высокопрочный чугун марки ВЧ-50.

Однако, повышение требований по гидроплотности, износостойкости, кавитационно-эрозионной стойкости расширяет область применения высокопрочных чугунов, особенно ЧВГ, удачно сочетающего в себе высокие физико-механические показатели, близкие ЧШГ и углеродистым сталям, с экономичностью и технологичностью, присущей серым чугунам.

Основными факторами, сдерживающими широкое использование высокопрочных чугунов для изготовления деталей гидросистем, является отсутствие на литейных заводах достаточного количества современного плавильного оборудования и качественных шихтовых материалов, обеспечивающих получение исходного расплава с достаточной для проведения операции сфероидизирующего модифицирования температурой металла и содержанием серы.

Не менее важной проблемой является отсутствие недорогих и надежных модификаторов, обеспечивающих стабильное получение структуры высокопрочного чугуна, обладающих минимальным пироэффектом, как правило, сопровождающим реакцию растворения модификатора в чугуне.

Целью настоящей работы является разработка составов и технологии получения высокопрочных чугунов с шаровидной и вермикулярной формой графита, обладающих повышенной гидроплотностью, износостойкостью и кавитационно - эрозионной стойкостью для использования в качестве материала корпусов элементов гидропневмосмазочного оборудования, а также разработка составов модификаторов, обеспечивающих получение высокопрочного чугуна на базе низкоперегретых расплавов, чугунов с повышенным содержанием серы, либо при комбинации этих факторов. Отдельные этапы работы посвящены разработке специальных составов модификаторов, обеспечивающих сохранение эффекта модифицирования в течение длительного времени применительно к процессу получения литых заготовок из высокопрочного чугуна на установках непрерывного литья.

Определенное внимание уделено экологическим аспектам разработанных технологий.

Научная новизна работы заключается в определении взаимосвязи между микроструктурой чугунов различного типа и их износостойкостью и кавитационно - эрозионной стойкостью, обрабатываемостью режущим инструментом. Разработан ряд новых составов модификаторов, установлен ряд зависимостей между составом модификатора и физико-механическими свойствами чугуна, а также технологическими аспектами процесса модифицирования, такими, как растворимость модификаторов и длительность модифицирующего эффекта. Исследованы некоторые аспекты влияния материала формы на процесс получения отливок из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении в производство на Каширском и Липецком заводах

Центролит" технологии получения отливок гидрооборудования из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом по номенклатуре Ульяновского завода "Гидроаппарат", Елецкого завода "Гидропривод" и Грязинского завода "Гидроагрегат".

Проведенные Харьковским институтом ВНИИГидропривод полномасштабные ресурсные испытания золотниковых гидрораспределителей типа 1ВЕ6 на базе 10 циклов срабатываний показали двухкратное повышение долговечности изделия за счет замены серого чугуна марки СЧ-30 на высокопрочный чугун с вермикулярным графитом и перлитно-ферритной металлической основой марки ВЧВГ-40. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 280 тыс.руб. в ценах 1991 года.

Результаты отдельных этапов работы защищены:

1. А.с. СССР N 1647035 С22С 35/00 от 26.04.88 "Способ подготовки модификатора для выплавки чугуна"

2. Ах. СССР N 1668452 С22С 35/00 от 04.07.89 "Модификатор для чугуна"

3. Положительное решение по заявке N 4763372/02-141303 от

25.12.89 "Модификатор"

4.' Положительное решение по заявке N 4820796/02-35030 от

29.03.90 "Модификатор"

5. Положительное решение по заявке N 4826718/02-55230 от 17.05.90 "Модификатор"

Основные проблемные вопросы и исследования доложены и обсуждены на:

1. Отраслевом научно-техническом семинаре "Основные направления повышения качества отливок в условиях интенсификации" -Липецк, 1987 г.

2. Семинаре "Повышение качества, снижение материалоемкости литых изделий из высокопрочных чугунов со специальными свойствами" -Киев, 1988 г.

Сделаны доклады и опубликованы их тезисы в следующих изданиях:

1. "Улучшение обрабатываемости отливок гидрооборудования из высокопрочного чугуна" - В сборнике тезисов докладов семинара "Прогрессивные технологии производства литых заготовок", Челябинск, 1988 г.

2. "Производство высокопрочного чугуна на базе чугуна ваграночной . плавки без предварительной десульфурации" - В сборнике тезисов докладов аукциона идей "Современное состояние подготовки производства отливок", г.Кашира, 1988 г.

3. "Получение отливок гидрооборудования из чугуна с вермикулярным графитом" - В сборнике тезисов аукциона идей "Современное состояние подготовки производства отливок", г.Кашира, 1988 г.

4. "Получение отливок деталей гидрооборудования из легированного чугуна с вермикулярным графитом" - В сборнике трудов Второй Международной молодежной школы по литейному производству, Варна, Республика Болгария, 1987 г.

5. "Исследование, разработка и внедрение технологии получения чугуна с вермикулярным графитом для производства отливок гидрооборудования" - В сборнике тезисов Международной научно-технической конференции "Технологические процессы и оборудование для эффективного использования металлических материалов", Варна, Республика Болгария, 1989 г.

6. "Исследование износостойкости различных типов чугуна радиоизотопным методом". Третья международная молодежная школа по литейному производству. Албена, Республика Болгария, 1989 г.

Отдельные этапы работы отмечены:

1. Дипломом Центрального правления НТО "Машпром" по итогам конкурсного присуждения премий ЦП ВНТО "Машпром" "Молодым ученым и специалистам за лучшие разработки в области науки и техники в 1988 г." от 14.11.89, решение N 497.

2. Серебряной медалью ВДНХ СССР по итогам конкурса молодых инженеров и ученых на лучшую разработку года. Постановление Главного комитета ВДНХ N 345-Н от 27.06.89.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору, д.т.н. Александрову H.H. и научному консультанту, к.т.н. Андрееву В.В. за помощь и поддержку в работе над диссертацией.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучены особенности процесса кристаллизации и структоробразования чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) при его модифицировании многокомпонентными низкомагниевыми модификаторами на железо-кремниевой основе.

2. Установлены качественные и количественные закономерности процесса форморообразования графита в структуре чугуна в зависимости от степени усвоения расплавом активных компонентов модифицирующей присадки.

3. Показано, что лучшие результаты при модифицировании чугуна ваграночной плавки достигаются при использовании низкомагниевой лигатуры дополнительно содержащей 3-5% циркония и 15-25% меди. Этот же модификатор обеспечивает получение ЧВГ в непрерывнолитых заготовках, где требуется сохранение модифицирующего эффекта в течение полного цикла (25-30 мин) разливки одной порции модифицированного чугуна.

4. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований выявлено влияние различных легирующих элементов на перлитизацию ЧВГ. В.* первые показана возможность использования металлического азотированного марганца (9% N) с целью формирования преимущественно перлитной металлической основы ЧВГ.

5. Проведены сравнительные исследования влияния типа литейной формы на структурообразование и физико-механические свойства ЧВГ, в результате которых установлена предпочтительность использования для изготовления деталей гидросистем сырой песчано-глинистой формы обеспечивающей получение оптимальных значений прочности, твердости и содержания перлита в ЧВГ.

6. Установлено, что разрабтанный чугун с вермикулярным графитом ВЧВГ-40 с содержанием: 3,5-3,7% С; 2,3-2,6% Si; 0,6-0,8% 0,015 S; до 0,15% Сг; 1,3-1,5% Си; 0,018-0,022% Mg обеспечивает высокие эксплуатационные качества деталей гидросистем наряду с удовлетворительной обрабатываемостью в условиях массового производства.

7. Разработана методика определения износостойкости материалов методом радиоактивных индикаторов и проведены сравнительные исследования износостойкости чугунов с пластинчатым, вермикулярным и шаровидным графитом в условиях трения со смазкой, имитирующих реальные условия эксплуатации корпусов золотниковых гидрораспределителей. Установлено, что перлито-ферритный ЧВГ по этому показателю равноценен ЧШГ с аналогичной структурой и незначительно уступает перлитному ЧПГ марки СЧ-30.

8. Разработана методика, изготовлена опытная установка и впервые проведены сравнительные исследования ЧВГ на кавитационно-эрозионную стойкость, Установлено, что перлито-ферритный ЧВГ марки ВЧВГ-40 в 4 раза превосходит по этому показателю низколегированный ЧПГ марки СЧ-30 и практически не уступает чугуну с шаровидным графитом.

9. По результатам полномасштабных ресурсных испытаний корпусов золотниковых гидрораспределеителей 1ВЕ6, изготовленных из различных типов чугуна установлено, что износ корпусов, изготовленных из разработанного примерно на 40% ниже нормативного.Разработанная технология производства ЧВГ внедрена на Каширском заводе «Центролит», где используется при производстве корпусов золотниковых гидрораспределителей и прошла успешное промышленное опробование на Липецком заводе «Центролит» при изготовлении непрерывнолитых заготовок из ЧВГ и изготовлении отливок методом литья в кокиль.

1. J.Powell, C.Eng "A review of some resent work on compacted graphite irons". British foundrymarc, november, 1984, p.472-483

2. Кузнецов Б.Л. "Применение чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом в автомобилестроении", РТМ-2МТ-80

3. Donocho С.К. "Ductile iron graphite form classification by C.K.Donocho", "Modern Casting", 1961, 40, p.65-71

4. Нехтельбергер C.K. "Получение, свойства и область применения чугуна с вермикулярным графитом". Литейное производство, N 9, 1986 г.6 с.7-9

5. Андреев В.В. и др. "Исследование особенностей формирования вермикулярного графита в чугуне". Литейное производство, N 6, 1980 г., с.5-6

6. Александров Н.Н. и др. "Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом", Обзорная информация ВНИИТЭМР, выпуск 3, М 1986

7. Lalich M.Z. Effect of rare earts on structure and propkrties of cast iron. Foundry Manag. and Technae 1978 -106

8. Владимиров Л. П. "Исследование сравнительной возможности сфероидизации графита в чугуне кремнием, магнием и иттрием", 1982, N 12. "Конструирование и технология производства с/х машин"

9. Аникин А.А "Иттриевый чугун" М., Машиностроение, 1976

10. Иванов Д.П., Ватуков И.А. Крестянов В.И. "Вопросы первичной кристаллизации графита в чугуне, модифицированном РЗМ", Литейное прозиводство, 1963 г., N 12, с.7-9

11. Скорняков Н.В., Шапранов И.А., Основин В.А. "Свойства высокопрочных чугунов, модифицированных редкоземельнымиметаллами и магнием", Литейное производство, 1975 г., N 2

12. Мильман B.C. "Исследование процесса образования шаровидного графита в чугуне. Кристаллизация металлов". М., АН СССР, 1960 г.

13. Дубров В.В., Денисевич P.A. "Кальций как модификатор для получения чугуна с вермикулярным графитом", Киев ИПЛ АН УССР, 1971 г.

14. Кожинский Л.И. Деглобуляризация графита микроэлементами. Литейное производства, 1976 г., N 6

15. Григорьев И.С. "Современное состояние теории процесса получения чугуна с глобулярным графитом. Высокопрочные чугуны. Киев, Машгиз, 1954 г.

16. Мильман B.C., Клочнев Н.И., Захаров А.П. "Получение чугуна с шаровидным графитом модифицированием расплава комплексными присадками. Литейные сплавы". Киев ИПЛ АН УССР, 1973 г.

17. Пат. 541 58 СРР, С22С 37/04 "Способ получения ферритного и ферроперлитного высокопрочного чугуна". С.Левандовски

18. Hubenov G., Stamenov W., Dimitrov D. Enfent der Zusammensetzung der Komplexen imptstafîe for Kugel-graphit-Gubeisen and ihre Wirksamkeit. Varna 1981

19. Совместное влияние магния, бария и РЗМ на структуру и свойства чугуна. Н.Н.Александров, Б.С.Мильман, Л.В.Ильичева, Литейное производство, 1977 г., N 1

20. Повышение эффективности РЗМ-содержащих лигатур для сфероидизации графита в чугуне. Н.Н.Александров, Б.С.Мильман, Б.Т.Соленков, Киев, ИПЛ АН СССР, 1977 г.

21. Воронцов В.И., Беспалов Н.С. Аномальный графит в отливках из магниевого чугуна. Изв.вузов. Чер.металлургия, 1979 г.6 N 9

22. Ващенко К.И., Софрони Л. Магниевый чугун. М.Киев, Машгиз,1980

23. Литовка В.И., Волощенко М.В. "О влиянии циркония на размеры включений графита в чугуне". Киев ИПЛ АН УССР, 1969 г.

24. Состояние и перспективы производства и применения комплексных сплавов с редко и щелочноземельными металлами. И.В. Рябчиков, А С.Дубровин, В.Г.Мизин, М. Черметинформация, 1980 г.

25. Петриченко А.М. и др. "Особенности строения и термической обработки чугуна с вермикулярным графитом" Ми ТОМ, 1983 г., N 10961 28. Богачев И.Н. и др. "Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов", М., Машгиз, 1959 г.

26. Конечны JI. и др. "Получение отливок гидросистем из чугуна с вермикулярным графитом в ЧССР", Литейное производство N 3, 1985 г.

27. Заключительный отчет по НИР ВПКТИ стройдормаш, N 02850080969, Киев, 1985 г.

28. Riposan J., Tudor G., Druekdichtichkelt von Gusseisen mit Lamellengraphit, Gusseisen mit Vermiculargraphit. Giesserei-Praxis. 1982, N 9, p.135-140

29. H.Itofyi "The foration Machaism compacted/vermicular graphit in cast irons" AFS Transachions vol 83, 1986, p. 831-840

30. Богачев И.Н.^ Минц Р.И. "Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов" Машгиз, 1959 г.

31. Носов В.Н., Носова Л.М. "Эксплуатационные свойства чугуна с вермикулярным графитом" Известия ВУЗов "Черная металлургия", 1983 г., N 10, с.101-104

32. D.Mitkov, M.Mitkov "Strukturrje osobine odlivaka od sivog liva sa posebnim osvrtom. na hermeticnost komada" Ливарство, 1984, N 31

33. От Липецкого филиала ЗПТИлитпром Инженер~технолог ,1. Суслов А.А.У