автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологии обработки литейных инструментальных сталей вибрацией и модифицированием с целью повышения качества отливок

МОСКОВСКИЙ ВМШМИ ШДШтДОШИИ инстшт

1Г Т С ч "Р0®3* РУК0ПИси

Балакин 1)рий Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ШМЫ ИНСТРУМШТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ЕИОДДОЙ И М0Д1ШЦИР0ВАШШ с даъю ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

А в г о р е ф ер а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском вечернем металлургическом институте.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент М.И.Гладков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор И.В.Ыатвеенко

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.С.Лобода

Ведущее предприятие - АО "Москвич", г.Москва

Защита¡состоится 199 ^г. в О О ча(

/

на заседании диссертационного совета К 063.07.01 Московского вечернего металлургического института по адресу: Ш250, Москв! Лефортовский вал, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

С.С .Васильева

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Одной из главных причин, сдерживающих применение экономичной и высокостойкой металлургической оснастки и инструмента из литого металла (штампов, пресс-форм, кокилей и т.п.), является недостаточная технологичность инструментальных сталей.

Многие новые оригинальные по составу легированные стали, обладая высокими эксплуатационными свойствами, часто имеют низкие механические и литейные характеристики, а также больщую структурную неоднородность.

Для широкого применения литейной оснастки необходимо совершенствовать технологию ее получения на основе как традиционных, так и новых физико-химических методов воздействия на структуру и свойства сталей.

Модифицирование является известным способом повышения качества сталей.(Однако, проблема выбора модификаторов и оптимизации их концентраций для новых инструментальных сталей еще не решена и имеет актуальное значение.

Вибрация применяется в различных производственных процессах. Это - перспективный способ управления процессом кристаллизации с целью получения отливок с заданными свойствами.

Вместе с тем, широкое распространение вибрационной обработки расплавов затруднено несовершенством теоретических и технологических разработок в этой области.

Эмпирические данные по воздействию вибрации на процесс кристаллизации металлов и сплавов являются противоречивыми и нуждаются в теоретическом обобщении. Известные концепции построены в основном на базе равновесной термодинамики. Вместе с тем очевидно, что воздействие упругих колебаний на: кристаллизующийся объем металла должно подчиняться закономерностям неравновесной термодинамики.

Разработка аналитических моделей, обобщающих многочисленные литературные данные и построенных на принципах термодинамики нео1 ратимых процессов, является поэтому актуальной.

Фактически нет теоретических работ по анализу характера воз, ствия на процесс рафинирования вибровозмущающей силы, различно ориентированной в пространстве. Мало данных, описывающих парамег движения неметаллических включений в расплавленном металле при у; занном воздействии. Прогнозирование результатов процесса вибрации ного рафинирования, особенно для повышения качества ответственны: стальных отливок, несомненно актуально.

Практически отсутствует оборудование для внепечной вибрацио: ной обработки расплавов, что делает актуальной разработку и созд ние мощных компактных и надежных вибрационных устройств, особен» для использования в цроцессах разливки и 1фисталлизации сталей.

Недостаточно изучено влияние технологических факторов вибр&' ционной обработки, модифицирования и цроцесса литья стали в кера мическую форму, а тем более их комбинированного воздействия на структуру и свойства литого металла.

Целью работы является разработка технологии обработки литей инструментальных сталей вибрацией и.модифицированием с целью пов] шения качества отливок.

В работе решены следующие задачи:.

- разработка на основе принципов термодинамики необратимых процессов математических моделей воздействия вибрации на процесс образования и роста зародышей твердой фазы, а также диспергирова зерна литого металла при его кристаллизации|

- постановка задачи и решение векторных уравнений сил, дейс вующих на частицу цримеси в расплаве железа; определение перемет движения неметаллических включений при воздействии на расплав ви ровозму¡дающей силы, произвольно направленной в пространстве;

2

- разработка технологии обработки отливок из инструментальных злей на основе оптимизации режимов комбинированной обработки алей модификаторами (бором, титаном, цирконием и иттрием) и 5рацией с целью улучшения структуры, физико-механических и техно— "ических свойств литого металла.

Научная новизна. На основе принципа термодинамики необратимых »цессов о разделении полного приращения изобарно-изотермического 'енциала открытой системы на две части: внешнюю, определяющую действие извне вибрационным полем, и внутреннюю, характеризующую цесс внутри системы, разработана методика теоретического анализа яния энергии вибрации на процесс кристаллизации; в результате лось выявить термодинамические закономерности воздействия внеш-энергетических факторов на кристаллизационный процесс. Разработаны аналитические модели по оценке влияния колебатель-скорости вибрации на величину неравновесного радиуса зарождения щой фазы и число зерен в единице объема затвердевающего распла-модели имеют нелинейный характер, позволяют прогнозировать и шлять дисперсностью структуры металла. Проведено математическое моделирование влияния параметров -виб-и сплава (направления в пространстве вектора вибровозмущающей , скорости и ускорения колебаний) на характер движения неметал-ских включений, при этом теоретически показан и расчетом оценен кг нарастания скорости и пути колебательного движения включений изменении наклона к горизонту (до вертикали) вибровозмущающей ; полученные данные позволяют увязать воедино и убедительно гнить противоречивые результаты многих известных исследований !брообработке металлов и сплавов.

Разработаны и оптимизированы параметры нового технологического юса комбинированной обработки жидкой стали вибрацией и модафи-

цированием. Оцределен вид и рассчитаны параметры математических моделей, позволяющих достаточно точно проводить расчет эффективш режимов как комбинированной обработки, так и факторов литейной технологии: температуры заливки металла и подогрева керамической формы, обеспечивающих получение стальных отливок для пресс-форм высокого качества.

Практическая ценность работы. Разработана новая эффективная технология комбинированной обработки инструментальных сталей мод) фицйрЬванием и вибрацией в горизонтальной плоскости. В результат! улучшена структура, физико-механические и технологические свойст; литого металла для заготовок пресс-форм.

Оптимальные технологические режимы комбинированной обработю стали для металлургической оснастки модифицированием и вибрацией опробованы в условиях действующего производства на Уфимском мото ростроительном производственном объединении и црименены для поду чения пресс-форм литья под давлением из литого металла вместо де формированного.

В результате исследования металла заготовок деталей пресс-формы "блок цилиндров" получено повышение прочности на 20 %, пла тичности вдвое, трещиноустойчивости на 15 %.

Разработано новое устройство для вибрационной обработки рас ва. Конструкция устройства защищена авторским свидетельством, ус но опробована в лабораторных и промышленных условиях, что делает перспективным его использование в литейном и других видах произв ства.

Экономический эффект от внедрения данной технологии обработ кристаллизующейся стали по заводу на годовую программу (в ценах 1931 года) составил более 10,5 тысяч рублей на каждую пресс-форы

Публикации. По материалам диссертации имеется 7 печатных ра

бот и 2 авторских свидетельства на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обе;уж-дены на: У1 Всесоюзной конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов (Москва, 1987); X и XI всесоюзных конференциях по проблемам слитка "Совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали и сплавов" (Жданов, 1987; Волгоград, 1990); X Всесоюзной конференции "Физико-химические основы металлургических процессов" (Москва, 1991); I и П конгрессах сталеплавильщиков РФ (Москва, 1992; Липецк, 1993); научно-технических конференциях Московского вечернего металлургического института (Москва, 1987-1993).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, приложения. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 12 таблиц, список использованных источников из 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ „■ .

Во введении обоснована актуальность исследования, направленного на разработку новой технологии комбинированной обработки вибрацией и модифицированием литейной стали, сформулированы цель, основные научные результаты и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор отечественных и зарубежных источников и анализ современного состояния теоретических разработок в области вибрационного воздействия на процессы зарождения и роста твердой фазы из расплавов, диспергирования и рафинирования металлов и сплавов. Рассмотрены вопросы улучшения структуры и свойств литейных сплавов черных металлов за счет модифицирования, вибрации и их комбинированного действия на кристаллизующийся металл.

Известные в настоящее время концепции описывают процессы зарож-

5

дения и роста твердой фазы из расплавов и диспергирования зерна литого металла при вибрационном воздействии на принципах равное ной термодинамики и потому носят частный характер. Однако, реал ный процесс кристаллизации в поле вибраций является неравновесн поэтому в ходе процесса изменяются параметры формирования тверд фазы из расплава и, следовательно, размер зерна кристаллизующег металла. Величина зерна зависит от физико-химических свойств ме ла, характеристик вибрационного поля, воздействующего на затвер вание расплава, и технологии его литья.

Установлено отсутствие в большинстве теоретических моделей влияния вибрации на процесс кристаллизации взаимной связи парам ров внешнего воздействия и затвердевания расплава.

При анализе литературы обнаружено крайне мало сведений о л метрах движения неметаллических включений в жидком расплаве под действием цроизвольно направленной в пространстве вибровозмущаю силы, хотя это важно для практики, т.к. позволяет определить ра нальные режимы виброобработки с целью повышения эффективности р нирования от примесей расплавов литейных сталей.

Противоречивость литературных данных о перспективности так модификаторов'для жидкой стали как бор, титан, цирконий и иттри а также неоднозначность сведений по влиянию вибрации на структу и свойства литой стали требуют проведения исследований по оптиы ции воздействия указанных добавок к поиску рациональных режимов виброобработки инструментальных сталей.

В связи с известным ослаблением чувствительности расплавов сложнолегированных сталей к модифицированию одним из резервов г шения их качества может быть комбинированная обработка после мс цирования вибрацией, оптимизация которой позволяет значительно улучшить структуру и свойства металла, что особенно важно для ы

лургической оснастки.

Вторая глава посвящена изложению методики исследований.

Обобщение известных литературных данных по воздействию вибрации на процесс кристаллизации проводили путем математического моделирования на основе метода термодинамики необратимых процессов. Это позволило получить выражение для определения полного изменения свободной энергии Тиббса открытой термодинамической системы, состоящей из некоторого объема кристаллизующегося с внешним воздействием металла вида:

С1 &НР - С1&, + сС&е, ( I )

где с/6у и ЫСт-р - изменения свободных энергий Гиббса внутри системы и воздействующее на нее, которое являлось исходным для дальнейшего моделирования.

Процесс вибрационного рафинирования описывался с помощью аналитических моделей методом составления и решения уравнения сил, действующих на неметаллическое включение в расплаве.

Векторное уравнение имело вид:

Р + Ра + + К = МО, ( 2 )

где Р - сила тяжести; - выталкивающая сила; Гтр - сила вязкого трения; - вибровозмущающая сила; О. - ускорение движения частицы массой ГП .

Для сокращения числа экспериментов и оптимизации технологических данных применяли методы математического планирования эксперимента (греко-латинских квадратов и крутого восхождения). Использо-

5-2

вали квадрат размером 4x4 третьего порядка и матрицу объемом 2 дробного эксперимента.

В качестве материалов для исследований выбраны литейные инструментальные стали следующего химического состава {% по массе):

а) углерод - О,35...О,45; кремний - 0,3...О,5; марганец -

0,3...0,5; Эфом - 4,5t..5,5; молибден - 0,9...1,6; ванадий -0,7...1,5; алюминий - 0,3...0,6; цирконий - 0,2...0,4; бор -0,002-0,01 (а.с. 1357456. Опубл. Ш № 45, 1987);

б) углерод - 0,35...0,45; кремний - 0,8...1,2; марганец ■ 0,8...1,2; хром -2,2...2,7; ванадий 0,8...1,1; алюминий -0,2...0,5; иттрий - 0,05...0,1; вольфрам - 0,5...0,7.

Легирование и модифицирование сталей проводили высококач! венными ферросплавами: ферросилицием, ферромарганцем, феррохр< феррованадием, Ферромолибденом, ферробором. Алюминий, титан, i коний, иттрий использовали в металлическом виде. Все металлы i сплавы имели сертификаты качества.

Химический состав сталей определяли методом атомного эми< ного спектрального анализа (чувствительность метода не менее Ю-"4 % мае.) на спектрометре мод. E750-I5 фирмы "0BIP" (Герма! Ряд элементов определяли химически (углерод, серу, фосфор).

Выплавку стали проводили в открытой индукционной печи ИСТ-0,025 с кислой футеровкой емкостью 25 кг методом сплавлен! без окисления. Температуру металла измеряли вольфрам-рениевой мопарой с милливольтметром типа ЭПП-0,9 с точностью +10 °С, ! формы - хромель-алюмелевой термопарой с тем же прибором.

Исследование воздействия упругих колебаний на расплав цр< ли на специально сконструированном устройстве для вибрационно] обработки расплавленного металла.

Конструкция виброустановки позволила создавать колебания ки с закрепленной в ней керамической формой в горизонтальной j кости. Диапазон исследуемых частот 40...70 Гц. Устройство име; качестве привода пневматический шариковый вибратор. На констр: устройства и вибровозбудигеля получены авторские свидетельств) Параметры вибрационного воздействия на металл (частоту, i туду, виброскорость) фиксировали с помощью электромагнитных д;

8

ков типа МВ-26В. Сигналы от датчиков регистрировались двенадцати-канальным шлейфовым осциллографом марки H043.I и через электронный блок БЭ-1 подавались на аппаратуру контроля вибрации ИВ-300.

Влияние колебаний на структуру и свойства сталей оценивали по микроструктуре и структуре изломов, физико-механическим и технологическим свойствам образцов.

Механические свойства определяли на пятикратных образцах, которые отливали в блоке по 8...10 штук, диаметром 6 мм. Механические испытания проводили на разрывной машине фирмы Инетрон (модели III5) согласно требованиям ГОСТ 1497-73. Твердость НАСд измеряли по прибору типа ТП. Плотность образцов определяли методом гидростатического взвешивания. Микроструктуру сталей изучали после травления в растворе азотной кислоты (I...3 %).

Фрактографическое исследование изломов образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе "Стереоскан $ Ч-IO" (Англия).

Литейные свойства определяли по U -образной комплексной пробе, а трещиностойкость - дополнительно по количеству образцов с трещинами. В случае, если все образцы в блоке (от 8 до 10) были тресцувшие, это состояние условно принимали за 0 % трещиноустойчи-вости.

В третьей главе рассмотрены основные результаты разработки и расчетов по математическим моделям процесса кристаллизации и рафинирования металлов при вибрационном воздействии.

На основе принципа термодинамики необратимых процессов о разделении любого экстенсивного свойства открытой системы на две части: внешнюю, характеризующую воздействие извне, и внутреннюю, описывающую процессы внутри системы, построена базовая математическая модель влияния параметров вибрационного пойя на неравновесный радиус зарождения твердой фазы в расплавах металлов вида:

(р Т Я'V3 <3

где р , N » плотность, молекулярная масса и неравновест

радиус зародыша твердой фазы; 1ХЦиЦр - колебательная скорость; Т0 - температура плавления; <5" - поверхностное натяжение на гр це твердой и жидкой фаз; ¿, - удельная теплота кристаллизации; дТ - переохлаждение.

Анализом устойчивого зарождения и роста твердой фазы из зм показано, что при внешнем воздействии на процесс кристаллизации родыш твердой фазы может стабилизироваться в двух областях изме ния факторов. Неравновесный радиус может быть как больше, так V меньше критического. Это положение на практике отразилось в тс» что при виброобработке кристаллизующегося металла наблюдались г ты либо укрупнения, либо диспергирования структуры твердой фазь Это подтверждается литературными данными.

Интегрированием дифференциального уравнения, выведенного I .условия устойчивого зарождения твердой фазы, получено выражение энергии внешнего воздействия ( ), которая в отличие от (энергии внутри системы) зависит не только от физико-химическю свойств металла ( & Т , (5~г_ ж ), но и от соотношения радиусов новесного ( Гр ) и неравновесного ( Гцр ) зародыша твердой фаг

бе = ^(лТ^г Из анализа формулы следует возможность уточненного преде; ния о механизме вибрационного воздействия на процессы зарожден! роста твердой фазы. Вначале, когда радиус зародыша меньше равн< ного, энергия воздействия затрачивается на увеличение поверхно< раздела твердой и жидкой фаз. После достижения состояния устой го роста частиц твердой фазы до величины, превышающей размеры ] весного зародыша, энергия внешнего воздействия способствует ув(

1В уже объемной части энергии Гиббса системы. В результате углубится переохлаждение жидкого металла, что, очевидно, ускоряет металлизацию расплава.

Разработана математическая модель влияния колебательной ско->сти и условий охлаждения на число зерен в единице объема ( /7/> ) степень измельчения зерна ( X ) при виброобработке кристайлизую-згося металла вида О. Х- В- О . 1е

47о Л/ / (У } ^ з/-1

Проведены расчеты этого уравнении на микро-ЭВМ. Анализ резуль-атов расчетов показал, что уменьшение величин коэффициентов в завнении модели при увеличении колебательной скорости вибрации зиводило (при постоянных переохлаждении и условиях охлаждения сливки) к более значительно^ измельчению зерна литого металла.

I

Оценено влияние характеристики массопереноса при внешнем воз-зйствии, являвшейся составной частью модели. На примере железа жазано, что значение этой величины более чем на порядок превыша-> диффузионный коэффициент данного металла в жидком равновесном >стоянии. Результаты расчета показали возможность резкого увеличе-м подвижности частиц металла при внешнем воздействии, что на зактике должно приводить к уменьшению ликвации в отливках. Это акже подтверждено литературными данными.

В рамках аналитических моделей, построенных на основе вектор->го уравнения сил, действующих на частицу примеси в жидком метал-з, описано воздействие произвольно направленной в пространстве 1бровозмущающей силы на неметаллическое включение в расплаве стали.

Воздействие вибрации на примесную частицу изменяло характер з движения в жидком металле. Появлялись дополнительные составляю-№ перемещения, скорости и ускорения, зависящие от направления

II

вибровозмущающей силы и длительности действия вибрации.

Отмечен колебательный характер перемещения неметаллического включения в расплаве щ>и гармоническом характере вибровозмущающе] силы.

Сравнение величин ускорений, скоростей и перемещений объемн< и точечного включений в расплаве показало, что эти параметры двю ния для объемной частицы больше, т.к. в выражения указанных хараз теристик дополнительно входил модуль пространственной вибровозмущающей силы ( )

/агЛ| = /г^ ^ ггг\ (6)

где Щ , , - проекции скорости на оси координат.

Наибольшие величины скоростей и перемещений имели объемные включения.при увеличении угла наклона н горизонту вектора вибров! вдущаицей силы от о да 90°. Ускорение частиц от направления вибра. ционной силы не зависело, а пропорционально производной по време: от ускорения вибрации, подвижности и массе частицы.

Результаты математического моделирования использовали в при: ной части работы. .

, .Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния технологических факторов модифицирования и вибрации на ф зико-механические, технологические свойства и структуру сталей д пресс-форм.

Особенностью проведения опытов было разделение их на два эт. На первом рассмотрены результаты экспериментов по оптимизации ре: мов виброобработки (частоты, амплитуды, колебательной скорости и времени вибрации), вида и концентрации модификаторов (бора, тита циркония и иттрия) для получения наибольшего эффекта в повышении указанных свойств и улучшения структуры инструментальной стали.

На втором этапе исследований использованы результаты первого и построены математические модели влияния на структуру и свойства инструментальной стали не только параметров модифицирования и вибрации, но и технологии литья стали (температур заливки металла в форму и ее подогрева перед разливкой).

Анализ исследований первого этапа экспериментов позволил сделать ряд важных обобщений.

Обнаружено явлений различной склонности расплава инструментальной стали к модифицированию разными добавками при вибрации кристаллизующегося металла. По убыванию эффекта комбинированного воздействия на свойства исходной стали модификаторы в целом можно расположить в ряд: иттрий, цирконий, титан и бор, что практически соответствует их раскислительной способности. Можно предположить возможность повышения эффективности процессов образования и удаления из расплавленной стали продуктов реакций раскисления под дейст-«

вием вибрации, а также образования зародышей твердой фазы, способных к росту и образованию мелкозернистой структуры. Очевидно, соотношение результатов этих процессов для каждого модификатора дает различный эффект влияния вибрации на свойства стали.

Установлено, что модификаторы по-разному влияют на структуру стали. Добавки иттрия в количестве 0,1 % интенсифицируют процессы диспергирования структуры, способствует получению более равномерной структуры и высокой прочности стали. Модифицирование цирконием в том же количестве и бором в меньшей концентрации вызывает огрубление структуры за счет выпадения хрупких фаз на границе литого зерна.

Наиболее высокие механические свойства ( СГ^ = 1440 МПа, (5~ = 5,7 %) получены при комбинированной обработке стаж введением циркония (0,05 %) и вибрацией по режиму: частота 70 Гц, амплитуда

о о

0,08.10 м, колебательная.: скорость 35.10 ь?/с в течение 24 с. Зафиксировано повышение трещиноустойчивости более чем на 10 %

(максимально до 20 %) у образцов стали, модифицированной 0,05 % трия или титана и обработанной вибрацией по режиму: частота 60. 70 Гц, амплитуда(0,08-0,12).1СГ3м,время обработки б...60 с. Доб циркония и бора при этом не улучшают трещиноустойчивость стали.

Для дальнейших экспериментов был рекомендован следующий те логический режим комбинированной обработки стали: модифицирован иттрием в количестве 0,05...О,2 % и виброобработка на частоте 7

о

с амплитудой 0,08.10 м и продолжительностью от 6 до 24 с.

В результате'обработки опытных данных на втором этапе иссл ваний построены математические модели влияния „совместной обрабс стали -вибрацией, модификатором и технологических факторов разли на физико-механические и литейные свойства стали.

Интенсивность и направление действия указанных выше фактор на структуру и свойства стали определены по уравнению модели ос вида

у = I + | 4 х£ +1 еи к? + | Vх/, (

где ^ - параметр оптимизации; во » ё: , ёц , ^¿^ - коэффм регрессии модели; X; , Х^, - технологические параметры ( Х^- - концентрация модификатора 0...0,15 %\ - температура формы 700...800 °С;

Х3 - температура заливки металла 1540...1600 °С;

Х^ - диаметр торсиона виброустановки 20...50 мм;

Х^ - время виброобработки 30...60 с).

Расчеты и оценки коэффициентов регрессии выполнены по ука; Формуле и обобщены э таблице.

Полученные-данные характеризуются новизной, обладают хоро1 сопоставимостью и позволяют гибко проектировать техпроцесс виб] работки либо целевого назначения (для достижения оптимального : ния характеристик стали), либо избирательного црименения техно;

.14

Таблица

Коэффициенты регрессии моделей

Параметр ~в(Те 4 4 4 4/ &21 4з ^

оптимизации £/)_ Л^Л^^)

Временное , ** ..

сопрогивле- +34,0 -1-36,0 +Й8.0 +34,0 +91,0 +120 +220,0 /+5,0\ /+о.О /+а.О) »36,0 -1-48,0

лии«аЗРЬШУ +14,1 +14,7 +35,9 +13,& +37,1 +48,9 +89,7 (+¿,0/ (+¿,0/1+2,0/ -14,7 +19,6

образцов

Твердость Зо.о 100 (^Ш.) ±к& М

+26,0\+2,о0Д+0,02/ +о,80 +3,40 \-1,6/ I-0,20/ -О ДО ,00/ -о,<¿0 +4,9 -0,00

Относительное удлине- у 34 +0,01 -0,03 -0,0о +О.Оо +0.01 +0,1/3 -0,03 +О.Ц4 +0,03 +0,03 -О.ОЬ +0.Ц6

образцов* ' +2,50 -7,00 -12,5 +12,5 +2,50 +7,50 -7,50 +8,20 +7,50+7,60 -15,0+15,0

Плотность 7,77 1Ш

+о.40\+о,1оД+о,ю;\+одо/+о,зо -0,40 -оз.бй -о.зо +о,90\-одо/(+одо/-г,оо

Трещиноус- 4£ +0Д6 +4,3 +0,41 +0,65 +0.92 +ЗД4 +11.97 +25.43 -1,28 -12,оЗ -1.26 -12.53 ТОЙЧИВОСТЬ +0,30 +8,9 +0,90 +1,30 +1,90 +6,60 +24,90 +53,00 -¿,70 -2Ь,П -2,70 -26,10

Примечания:

* числитель - абсолютные значения коэффициентов,

знаменатель - их ранжированные значения.

** в скобках приведены незначимые коэффициенты.

ческих факторов (параметров вибрации, литья, модифицирования).

Анализ коэффициентов регрессии моделей для физико-механиче свойств показал, что при оптимальном сочетании факторов внешнег воздействия возможно'получение более высоких значений прочности пластичности, твердости и плотности стали в сравнении с исходны

По комплексу наилучшего сочетания различных свойств стали опытно-промышленного оцробования рекомендованы следующие режимы комбинированной обработки кристаллизующегося металла; модифицир вание иттрием или титаном в количестве 0,05...0,1 %, вибрация н

о

частотах 60...70 Гц с амплитудами (0,08...0,12).10 м, колебат . 0

ная скорость от 35,2.10 до 45,2.10 м/с, длительностью обраб от 6 до 60 с. Параметры заливки: температура 1600+10 °С - разли металла и (750...800) + 10 °С - подогрева керамической формы.

Указанные выше режимы позволили увеличить прочность стали 20 твердость до 50 %, пластичность до двух раз, плотность с

о - о О

7,729.10 до 7,916.10 кг/м по сравнению с исходной.

Жидкотекучесть стали улучшилась при ее модифицировании до центрации иттрия не более 0,15 %, а далее .снижалась, что указыв на сложность физико-химических процессов, протекающих при затве вании сложнолегированной стали.

Линейная усадка стали фиксировалась на уровне I,8 %. При ь фицировании ее величина уменьшалась до I,1? %, что указывало на рощую технологичность стали в сравнении с углеродистой.

Тревщноустойчивость стали, подвергнутой внешен воздейстг возможно повысить в сравнении с исходной более чем на 20 % в ши ком диапазоне режимов комбинированной обработки, что способствз увеличению долговечности стальных деталей пресс-форм.

Результаты исследований различных свойств стаж подтвержде материалами изучения микроструктуры и характера излома металла. Оптимальные режимы обработки стали способствовали созданию бла!

приятных условий кристаллизации. В итоге сформировалась измельченная мартенситная фаза в структуре стали, уменьшилось количество труднорастворимых карбидов. Разрушение образцов носило смешанный характер. На фрактограммах наблюдались как участки вязкого, так и хрупкого изломов. Причем по сравнению с исходным сплавом в большинстве случаев характер разрушения был более вязкий, особенно у термо-обработанных образцов.

По результатам экспериментов указанные технологические режимы вибрации модифицированной стали рекомендованы для опытно-промышленного опробования.

В пятой главе рассмотрены общие вопросы опытно-промышленного опробования технологии комбинированной обработки расплавленной стали.

Для внедрения технологии комбинированной обработки литейной стали было разработано и опробовано на Уфимском заводе автомобильных моторов устройство для вибрационной обработки расплава. Конструкция устройства защищена авторским свидетельством на изобретение, получен акт по типовой форме Р-2 об использовании изобретения.

В производственных условиях проведена комбинированная обработка стали на оптимальных режимах. Модифицированная сталь заливалась в керамические формы и подвергалась виброобработке в процессе .. кристаллизации. В результате получен комплект заготовок деталей пресс-формы "блок цилиндров".

Исследование металла литых и термообработанных (закалка + отпуск) заготовок показало повышение прочности до 20 %, пластичности до двух раз, трещиноустойчивости до 15 %. Изучение микроструктуры образцов подтвердило результаты исследований механических свойств стали.

Экономический эффект от. повышения стойкости деталей пресс-формы к образованию трещин в результате вибрационной обработки затвер-

17

девающих в форме отливок оценен (в ценах 1991 г.) на годовую программу в размере более 10,5 тыс.рублей на каждую пресс-форму. Экономия подучена за счет снижения количества капитальных и сре,а них ремонтов пресс-форм.

ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных данных показал, что обработка вибра! металлов и сплавов в жидком и кристаллизующемся состояниях являе эффективным способом воздействия на структуру, физико-механичес» и технологические свойства отливок. Применение в литейном произ! стве вибрационной обработки в комбинации с модифицированием стал для пресс-форм литья под давлением еще недостаточно изучено и ш получило широкого распространения в промышленности.

2. На основе принципа термодинамики необратимых процессов I работаны нелинейные математические модели по влиянию колебателы скорости на величину неравновесного радиуса зародыша твердой фа: и число зерен в единице объема затвердевающего расплава вида

гнр = ¿(Гр ; Ща€р Ук [

3. Получены алгоритм и программа расчета уравнений математ! кой модели на микро-ЭВМ. Анализ модели показал, что воздействие вибрации -уменьшает работу образования, зародыша твердой фазы, те! самым повышая скорость зарождения твердых частиц в расплавленно! металле. Изменение колебательной скоррсти при. определенном соч&. нии других характеристик модели может приводить как к укрупненш так и к измельчению структуры литого металла, т.е. аналитическая модель удовлетворительно, обобщает известные в практике противор« вые результаты.

4. Разработаны математические модели отдельных стадий вибр: ционного рафинирования металлов. Показано, что характер движения

неметаллических включений в расплаве при вибрационном воздействии изменяется, появляются дополнительные векторные составляющие перемещения, скорости и ускорения, зависящие от направления вибровоз-мущающей силы (угла с/- ), длительности воздействия вибрации ( т£ ), и приводящие к ускоренному вснлыванию включений в расплаве:

Т^рин ~ Ьстокса ^~ви5~р ' ^^Л где Ь^ин . ^стокса- скорости примесной частицы при вгчздиьствии вибрации и без нее, соответственно.

о. Наибольшие величины скоростей и перемещении имеют объемные, т.е. достаточно массивные включения при увеличении угла наклона к горизонту вибровозмущающей силы от 0 до 90°. Ускорение частиц от направления вибрационной силы не зависит, а пропорционально производной ло времени от ускорения вибрации, подвижности и массы частиц. полученные зависимости показывают направления и возможности оптимизации параметров вибрации.

б.3Разработана, исследована и прошла опытно-промышленное опробование новая технология комбинированной обработки, затвердевающего модифицированного расплава сталей для отливок ответственного назначения низкочастотным! колебаниями, улучшая процесс обработки за счет измельчения зерна и структурных составляющих инструментальной стали.

7. Экспериментально обнаружено явление различной склонности расплава инструментальной стали к комбинированной обработке различными модификаторами и вибрацией кристаллизующегося металла. По убыванию эффекта воздействия на свойства исходной стали элементы можно расположить в ряд: иттрий, цирконий, титан и бор.

о. Методом многофакторного эксперимента оптимизированы основные технологические параметры вибрационной обработки стали. Построены математические модели типа у.- во*^-^ \ X/ - технологические факторы; - коэффициенты влияния факторов), учиты-

вающие влияние не только модифицирования и вибрации, но к техн< гически-с факторов разливки на физико-механические и литейные свойства стали. Интенсивность влияния факторов виброобработки ( механические свойства стали ( 6"а , сГ ) ¡фактически вдвое вьшк воздействия факторов модифицирования.

6. по комплексу наилучшего сочетания различных свойств стг для промышленного применения рекомендованы следующие режимы ко! бинированной обработки стали: модифицирование иттрием или тита! в количестве до вибрация на частотах ьО-УО Гц с амплит;

дами (0,0Ь...0,1<).1и м, колебательной скоростью чЗо,«:...10"° м/с, длительностью обработки 0...0О с; пара! ры оаливки: температуры 1о00фЮ °С - заливки металла и 7Ы...&00 °С - подогрева керамической формы.

10. Разработано, изготовлено и прошло опытно-промышленное I робование устройство для вибрационной обработки расплавов. Виб] ции подвергнута сталь для пресс-форм литья под давлением, зали; мая в керамическую литейную форму. В результате повысилась про-ноеть стали на ¿0 пластичность - вдвое и трециноустойчивост; на Ю.. До

11. Ожидаемый экономический эффект от внедрения вибрационн обработки модифицированной стали для отливок деталей пресс-фор: "блок цилиндров" на Уфимском моторостроительном производствен» объединении за счет уменьшения количества капитальных и средни: ремонтов вследствие повышения эксплуатационной стойкости пресс форм оценивается в размере не менее 10 тыс.рублей в год на од ферму ценах 1991 г.) или около ¿1- ,, себи;т-имости одной тон литой оснастки.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Гладков М.И., Балакин U.A., Гончаревич Термодинамический анализ условий зарождения и роста кристаллов при виброобработке металла //Изв.вузов. Черная металлургия. - 19Ь9. - № 9. -С. 27-29

2. Гладков И .И., Балакин Ю.А., Иикифоровский В.А. Математическое моделирование процесса диспергирования структуры кристаллизующихся металлов //Литейное производство. -1990. -НО. - С. 9

3. Гладков М.К., л;утаев Д.И., Балакин Ю.А. Вибрационная обработка расплавов сталей для пресс-форм //Прогрессивная технология и автоматизация литья под давлением: Материалы семинара. - М.: ВДЦТи, 1991. - С. 74~7Ь

4. Гладков ivi.il., Балакин ¡O.A., Иикифоровский В.А. х!рактика внеиеч-кой г^-е.СюТкг юди£Мцир озд«ям* ме?а»/тчй«'л?их расплавов вибрацией //йизико-химические основы металлургических процессов: Научные сообщения десятой Всес.конф. - М.: Черметинформация, 1991.Ч. Li. - С. 146-148

о. Гладков М.И., Балакин U.A. Параметры аналитической модели виброрафинирования металлических расплавов //Физико-химические основы металлургических процессов: Научные сообщения Десятой Всес. конф. - Черметинформация, 199jü - Ч. ш. - 0.163-164

6. Гладков М.И., Балакин Ю.а. Практика и теория внепечного вибрационного рафинирования //Груды 1-го конгресса сталеплавильщиков 12-lu.IJ.9E. - Ы.: АО Черметинформация, i993. - 0. kl'/-kxb

7. Гладков Ii .И., Балакин Ю.А., Гончаревич И.Ф. Технологические возможности вибрационных устройств для обработки сталей //Груды 2-го конгресса сталеплавильщиков. Липецк, I2-Ib.IG.93. -М.: АО Черметинформация, 1994. - С. 336-337

6. A.c. ISöOüGv (СССР). Устройство для вибрационной обработки расплавленного металла Л1.Ф.Гончаревич, й.И.Гладков, я.С.Аверин, ¡и.Я.Балакин. - ипубл. в Ш ^ <±7, 23.12.6? 9. A.c. I406609 (СССР), аневмагичеекий вибророзбудитель Д1.^.Го! чаревич, м.К.Гладков, л.0¿Аверин, Ю.л.Балакин. - Опубл. в Ш

я ix , со . «jo ..