автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Технологические основы получения ответственных отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для большегрузных автомобилей

РГБ Ой

2 2 -

КАМСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ПРОИЗВОДСТВУ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ (АО «КамАЗ»)

На правах рукописи

БЕХ Николай Иванович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ ДЛЯ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Специальность 05.16.04 — Литейное производство

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Набережные Челны 1995

Общая характеристика рзГхлы. Актуальность проблемы. В большегрузных автомобилях, являющихся важнейшей частью транспортных средств, используемых в гражданской и военной областях народного хозяйегва, наиболее полно проявляются тенденции к повышению мощности и эксплуатационной надежности, снижению материальных, трудовик н энергетических затрат ври минимальной себестоимости их изютовления и применении эколог ически чистых технологий. Решение возникающих при реализации итих тенденций задач невозможно без разработки и внедрения конструкционных материалов с комплексом повышенных механических, эксплуатационных и технологических свойств и расигарения номенклатуры изготовляемых из них базовых деталей автомобиля. Технические решения, получаемые в автомобилестроении, создают необходимые предпосылки для их внедрения а друтх отраслях малганостроенпя, выходя за рамки утх отраслевых интересов.

Среди современных машиностроительных конструкционных материалов одно из ведущих мест занимает высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ЧШ1-). В отечественном автомобилестроении, в первую очередь яа АО "КамАЗ", проделана значительная рабта по совершенствованию процесса получения и организации массового производства отливок из ЧШГ марок ВЧ 50...ВЧ 70 (ГОСТ 7293-85). Несмотря на значительную номенклатуру деталей, изготовляемых из ЧШГ взамен ковкого чугуна и углеродистых сталей, свойства ЧШГ стандартных марок недостаточны для производства и 1 него тяжелонагруженных деталей, изготавливаемых в настоящее время из высоколяированных сталей методами горячей шгачпевкв. К таким деталям относятся, в первую очередь, коленчатые валы и детали типа шестерен.

Одним из наиболее уникальных по комплексу свойств и перспективным к применению в деталях ответственного назначения является беншгшый чу1уи с шаровидным грантом (БЧШИ, структура металлической основы которого частично или полностью состоит и) бешшта. Этот чугун имеет прочность аь =800 ... 1500 МПа, <5=10 ... 2 %, контактную выносливость на уровне легированных и цементованных сталей, высокие ударную вязкость и вязкость разрушения; в определенных условиях большую, чем сталь с такой же твердостью, износостойкость, что объясняется прекращением ( иод действием высоких локальных напряжений) остаточного аустенита в иартенсит. В зарубежной практике БЧШГ зарекомендовал себя как перспективный материал для изготонления деталей типа шестерен, обладая по сравиению со сталыо рядом преимуществ: восприимчив к наклепу, имеег лучшую прирабатываемость; меньше деформируется в процессе термообработки, что позволяет уменьшил, массу деталей при тек же размерах; обеспечивает бочес плавный ход зубчатой пары за счет лучшей демпфирующей способности; снижает шум при эксплуатации; имеет большую износостойкость и меньший модуль упругости, определяющий уровень контактных напряжений, более низкую чувствительность к

надрезу. лучшую обрабатываемое».. Зарубежные сЬшми исничьтуигг БЧШГ шспо литой и кованной стадей дни изготовления коленчатых и распределительных пион, -¡леиептов подвески, корпусов амортизаторов, шатунов, деталей руленою унраплснкя и д[г»чмк Деталей легковых автомобилей. Практически опыт массового тюгониемия подобные деталей, в частности шестерен силовой передачи, каисичишх канон, дам билмштрушмх автомобилей в мировой практике отсутствует, отечественное автомобилестроение вообще не имеет (шип производства изделий из БЧШГ. Это связано как с технологическими и организационными особенностями производства деталей из БЧШГ, так и с недостаточной информированностью конструкторов о свойствах и возможностях БЧШГ как конструкционного материала

Одним из эффективных путей реализации потенциальных возможностей ЧШ1' как конструкционного материала является его горячее пластическое деформирование в сочетании с рациональными режимами термической обработай. Наиболее перспективен такой процесс при изготовлении деталей типа шестерен, так как позволяет не только целенаправленно и дифференцированно изменять свойства ЧШГ и БЧШГ, но и нспользовагъ оборудование, применяемое для изготовления нггаыповок из заменяемых на высокопрочный чугун легированных сталей.

Свойства ЧШГ в отливках определяются не только химическим составом и обработкой в жидком состоянии, по и условиями формирования структуры и свойств в литейной форме. Эти условия, так же как и степень приближения литой заготовки к размерам и конфигурации готовой делала и себестоимость литья, в значительной степени определяются выбранным методом изготовления литейной формы для получения отлипкн.

Основные разделы работы выполнены в соответствии с тематикой плана технического прогресса АО "КамАЗ", отраслевыми кланами технического прогресса, комплексной федеральной программой " Разработка и внедрение аусгенитао-бейнитных чутунов с шаровидным графитом (АБЧ) и технологии получения из них литых деталей в автомобилестроении".

Цель работы - разработка высокопрочных чугунол с шаровидным графитом, в частности бешштного класса, с заданным уромкм свойств, технологии получения из них коленчатых валов и деталей типа шестерен, внедрение этих деталей в практику производства автомобиля "КамАЗ".

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

• исследование возможности повышения свойств ЧШГ, получаемого на АО "КамАЗ", за счет различных видов и режимов термической обработки, расширение номенклатуры деталей, изготовляемых из нелегированного ЧШГ;

• сравнительные исследования эффективности различных методов модифицирования, обоснование выбора рационального метода модифицирования с учетом необходимости унификации и стандартизации марок ЧШГ и технологии получения из них деталей на заводах отрасли, оптимизация составов модификаторов при базовом методе модифицирования;

• выяшение закономерностей влияния химическое состава, обработки в жидком состоянии и скорости охлаждения на структуру и механические свойства ЧШГ;

" псслслоаюте nmziwji c17y.1r5--.-u ЧШГ я рек:-м-,-з изотермически оталюа па стру:т\~у и ме^^лэтеск^е сг-.сйс-m» КЧН11

» иеслгдотигве ;..•,—.••.;;::! паэстгннп квдоз и регскся горячего пластячесхоаго дсфор-ш*ро:игня па стпуъ-гугу и мехгзлчесхпе сэозстза ЧШГ н БЧШГ;

* созкзяе чугуюя с эдашкм урок»ги сэозсгв, сравапкзыше всследозаяяя сзоЁсга сплел, нршеякшгх дая вятщжкэяя кояенчзпл салоп я шестереа ;этомобшш "Кг-чЛЗ", я рлзряСотэтткх тугутач;

" сЗосвоваяие п тпгп тармятоз, pajpaSerraa татаалогячестх trrcueccos в^гаттеикжгя лгггах гагатовая. г.олеа-^лги а»яо» я шесгерек; кгготсадеяне скытетя партия ззгагевок, цесяедогзяяе пх хачестза, гиалп рауяьтзтод стгале*»« и езт^тяшх исяьгглетгё;

* ртсистрелке о&хаста прхмепетяя ЧШГ а БЧШГ для ремонтного .татья облтематино-строптеяьного ватаэтсзхя; разсжютха техтгалопгеессих осзоз получения ремоотнъи отлявок с "здгивым уровнем мехаяячесзита, тгхлологачгсхих н £хсплуатгцяспгаых

сгоЯстр;

* техявко-Ехежткнчесхое обосиожгиие ггашшх техналогнчесхих и ооггяндадяодаых пешею!» во проа:я«д.7,стау Еояенчзтмх гатсз и шестерсп для етгомебаяя "КамАЗ" и чемс;гг,;п(о тпгг? i га ЧШГ БЧШГ.

" Научаазиозазяа. <).:!о.:!:;е каутаые резу::ь'гвгы работы :

* усткяоклезы г.чхсжомерзостя злвгиая хтякячесхого состгка, з частаостн Мя, N), Си, Мо, гостам чатфяхапочся, неявнее я режимов модя4ипарпвгякя я гжорости охя&кзегпм иа стру^-п-ру л механические свойства ЧШГ;

" разработав ж.с»<шгек.с магематичесхлх моделей, отражгктаий гогазггае ухазмгаых фгжторез н кояфлзтцнй оотяиязчревлъ изрпагш теглолегичеехтгх репжЕгяй, о^ссяетавэаовше ¡дайке струет;ру и 5<ротекь мехагстеесжях гаозста ЧШГ в

" с истгол.мип&шем струстэ-рчо-чукггвятглыных хграктеряешк мехгшлесжих саойстт», в rusccra ргирушеоня , усганозлепы згкспомертостя елизнкя структуры гххязясго ЧШГ из струиурУ я сзсйстга БЧШГ пра ргжктгаых резлмах яытерггачссхсй за&шгл; ккзг.чеш тослеяи пзмгнеяяя хкразггерястнЕ структуры ЧШГ, при хспоркх сга™ст®> ЬЧШГ ©предеютатся ярганушестгенио режимами arKt-piviirecsoa зккг-хк;

* разрс.бота:и матсматачес¡ше модели, отражагоюте пяэтяне хгяшческого состава и реяваеоз азояррмачеекг! ззззжга на структуру я сгсястза БЧШГ при различных з.*;?пгнтах мочнфлпетрог.'пвя;

" устгисилеии згздаюмеркоста ктггзггая различных ейлгв горячего пластического дефортетрсогяия ка crpjicnfiy и мехаютгеские свойстаа ЧШГ" я БЧШГ, с^юспомд p.bi&ji ргщкыг.-ияых техколотатгеких решекия при исиоль.тоаании да^рмлровалпош ЧШГ и БЧШГ;

" разртбота.ы гАтмsiosmaic рачио!£г.1И!ЫЙ ЕЬ'бяр технологии

взготозлс5::!а jnrreKac.i при ¿опуч'.тя ошетегаеккых отлито:: ¡о ЧШГ и

БЧШГ.

Практическая значимость н реализация р е з у п ь т а г о и работы з а р о м ы К! л с н и о с т л:

• рафаботапи составы чу(Лнов и режимы планки, модифицирования и термической обработки ЧШГ, позволяющие использовать ею вместо легированных сталей в тяжелона» ружейных деталях болыпефузного автомобиля "КамАЗ":

• разработана и реализована техиолотя получения лигах коленчатых валом и шестерен |п ЧШГ и БЧШГ:

• разработала и реализована тсхнолопи» получения шестерен из пластически деформированного ЧШГ вместо штамповок из летроваиных сталей.

• осуществлена привязка технологических решений ш> производству коленчатых валов и шестерен из ЧШГ и БЧШГ к конкретным производственным структурам с максимальным использованием существующего оборудования и производственных мощностей;

" ор1анизонано производство отливок из БЧШГ л ля ремонтных нужд. Экономический аффект от внедрения в практику производства отливок из БЧШГ для ремонтных нужд сосчавил (в ценах 1992 юда) более 12 миллионов рублей .Массовое производство коленчатых валов и шестерен из ЧШГ и БЧШГ вместо ипамповок из легированных сталей позволяет снизить их себестоимость в 2,3-2,5 раза. Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью расчетных и экспериментальных данных, использованием современных методик, оборудования п приборов, внедрением результатов работы в производство. В результате выполненной работы решена имеющая важное народно-хозяйственное зпаченне научная проблема внедрения в автомобилестроении при изготовлении наиболее ответственных деталей большегрузного автомобиля литых заготовок из высокопрочного чугуна вместо штамловок из легированных сталей. II а защиту выносятся следующие основные положения:

• методы повышения свойств ЧШГ, получаемого «а АО "КамАЗ" при массовом производстве отливок;

• закономерности влияния химического состава, модифицирования, скорости охлаждения и режимов термообработки на структуру и механические свойства ЧШГ н БЧШГ; математические модели, отражающие эти закономерности н позволяющие оптимизировать параметры процесса получения ЧШГ и БЧШГ для обеспечения заданных структуры и свойств в отливках;:

• закономерности и соответствующие математические модели, отражающие взаимосвязь структуры ЧШГ со структурой и свойствам БЧШГ, влияние режимов изотермической закалки в различных закалочных средах на структуру и свойства БЧШГ;

• закономерности воздействия различных методов горячего пластического деформирования на структуру и свойства ЧШГ, технология получения шестерен из деформированного ЧШГ и БЧШГ;

• технология получения коленчатых валов и шестерен для автомобиля "КамАЗ" из ЧШГ и БЧШГ вместо штамповок из легированных сталей;

• технико-акономическое обоснование принятых технологических решении. Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на заседаниях технических советов АО "КамАЗ", АО "АвгоВаз", на первом Всероссийском съезде литейщиков России (Санкт-Петербург, 21-25 июля 1993 года), отражены в

л

докладе, принятом Оргкомитетом 61 Международного конгресса литейщиков ( сентябрь 1995 г., Китай) в качестве обиеппого от России.

Изделия, полученные с использованием разработанных высокопрочных чутуяев я технологии изготовления из них деталей для автомобиля "КамАЗ", демонстрировались па Международной выстггхе "01РА-94" ( Дюссельдорф, 15-22 июня 1994 года). Публикации. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 27 .печатных статей, получено 2.ангорских сввдетельства.

Личный вхлад а в т о р а. В представленной работе обобщены результаты экспериментальных ясследоаипта, вкполнепиых автором самостоятельно, а также вместе с сотрудниками АО "КемАЗ", СПбГТУ, ЦНШШ, ЩШИТМаш, ИПЛ НАНУ в качестве научного руководителя хоздоговорных работ и руководителя комплексной федеральной программы "Разработка п внедрение аустеннтно-беяниткых чутуноз с гадрояядным графитом (АБЧ) и технологии получения нз них литых дегхтей в автомобилестроения". При этом автору принадлежит: постановка проблемы в делом и задач экспериментальных исследований; разработка оснояимх методик прогеденяя экспериментов; непосредственное участие в интерпретации и обработке результатов вксперямеитов, наяислшш статей; решение осяояпцх задач по выбору вариантов технологии получения коленчатых валов а шестерен нз ЧШГ и БЧШГ п привязка их к конкрелшм производственным структурам.

Содержание работы 1.Влияние термической обработки на структуру и механические свойства ЧШГ, получаемого нри массовом производстве отливок на АО "КамАЗ" Основным технологическим процессом получения ЧШГ на АО"КамАЗ" является внугряформенное модифицирование чугуна адектродуговой плавки модификатором ФСМг 5 (4,5-6,5% Мв, 0,2...1,0% Са; 0.3... 1,0% РЗМ, 45-55% 81, до 1.2% А1, Ре-ост. по ТУ 14-5-134-86). Состав ЧШГ после кодифицирования ( масс.%): 3,85...4,05 С; 2,15—2,3051; 0,30...0,40 Мп; <0,1 Р; <0,04 И; <0,1 Сг; <0,015 8. Структура глеталянческой матркдм в ;пггси состояния содержит егьипе 70% феррата, остальное перлит. В отдель?!ЫХ случаях, в частности при производстве ремонтного литья а заготовок поршневых колец; ЧШГ получается за счет кевшеяого медафгцирозаяяа №-М$-Се лигатурой (82...85%№, 13-15% Мё, 0,5..Д8% Се по ТУ 48-21-5013-72) совместно с 0,б...0,8% гранулированного ферросилиция ФС75. Состав ЧШГ после модифицирования (масс.%):3,4.-3,7 С; 2,6-2,9 51; 0,03-0,06 Мй; <0,4 Мп; <0,06 Р; <0,012 в; <0,06 Сг; <0,03'П; 0,8...1,0 N1; 0,5—1,0 Си. Структура металлической матрицы в литом состоит!!» содержит по 40%, после одностадийного отжига - до 90% феррита, остальное перлит.

Средние значения механпчесхих свойств ЧШГ при вяугриформптом модифицировании в лптом состоянии (1), при ковшевом модифицирования в литом состоянии (2) и после одностадийного отжига (3) приведены в таблице 1.

Достигнутый уровень механических свойств позволил использовать ЧШГ вместо ковкого чугуна и углеродистых сталей в отлпгках для бодыветруягого аэтомобшга, еднахо оказался недостаточным для использования ЧШГ вместо легаровгшшх сталей в отливках тяжеяонагруженных детален, в частности коленчатых валов и шестерен. В силу

специфики свойств ЧШГ (более высокая демпфирующая способность, шикая чувствительность к кяндешратораи напряжений . и др.) нельзя неаосрсаствелпо сопоставлять ЧШГ. в легированные стали по отдельным характеристикам свойств. Преимущества или сопоставимость ЧШГ со сталями по комплексу механических, эксплуатационных в технологических свойств наиболее полно могут быть иьнтлты по результатам стендовых или натурных испытаний деталей.

Таблица 1

Варианты Оъ 00.2 Е 10"5 НВ Ь,% КС; 6, %, при

технологии жДж/м2 а=80 МПа

МПа

1 550 395 1.77 170 9.8 960 1.18

2 620 430 1.67 195 5 240 0.80

3 570 400 1.68 167 12 шо 1.09

С целью выявления возможности новышепия свойств освоенных в массовом производстве на АО "КамАЗ" марок ЧШГ ( впутриформенное модифицирование) за счет термической обработки проведены исследования, результата которых представлены в таблице 2. Режимы термической обработка выбраны на основании предварительно проведенных экспериментов и литературных данных.

Таблица 2

Режим - терыообра боткл Структуре ыатри~ ЦЫ, % Нрокаяи-ваемоегь, ИИ Механ ическне свойства

Ов 0о.2 <5, % НВ КС, ЕДЖ/И1'2

М Па

Исходное (литое) состо жвве 70...85П (ост. Ф) - 650... 740 425... 470 ..3.4... 6.4 170... 230 175... 185

Нормализацией =900 С,Га =1.5ч) 96..100П (ост. Ф) - 850... 900 560... 600 3.8... 4.6 241... 255 155... 175

Отжиг (Т0=720 С Го=3 ч ) 5...10 П (ост. Ф) - 420... 450 280... 290 15... 16 140... 150 315... 330

Изотермическая за- калка(Та= 900 С; 1 Га=1 ч, Ги=1 ч) Ти= 300 С 26...28А (ост. Б) 7.5...7.8 1310... 1330 1050... 1060 1.2.. . 1.4 363... 380 325... 340

Ти= 350 С 34...36А (ост. Б) 6.3...6.5 1000... 1050 740... 810 4.0... 6.5 302... 321 480... 490

ти= 380 С 35...38А (ост. Б) 5.2.-5.4 900.. 950 620... 680 6.0... 8.0 255... 269 570... 595

Как видно из полученных данных, термическая обработка повышает механические свойства ЧШГ, однако марочные составы не позволяют достичь уровня свойств и

прокаливлемостн, необходимых для использования ЧШГ вместо высоколегированных сталей при изготовлении коленчатых валов и Шестерен. Выявленные возможности повышения свойств марочных ЧШГ за счет термической обработки были использованы для расширения номенклатуры дёталей, изготавливамы'х из ЧШГ вместо легированных сталей на АО "КамАЗ".

2.Влияние химического состава, обработки в жидком " состоянии, скорости охлаждения л режимов термообработки

на структуру я механические свойства ЧШГ и БЧШГ_ Массовое производство отливок из ЧШГ на АО "КамАЗ" обеспечивается при впутриф-ормспном'модифицировании чугуна лигатурами тноа ФСМг. Учитывая, что ковптевое модифицирование Ni-Mg лигатурами применяется при массовом производстве отливок в автомобилестроении (АО"АвтоВАЗ") представляют научный и практический интерес сравнительные исследования эффективности этих двух методов модифицирования. Исследовали влияние введенных н ковш 1,1% модификатора ФСМ19.шш 0,6 % Ni-Mg-Ce лигатуры иа структуру и механические свойства чугуна электропечной плавки. Отливали стандартные клиновые пробы (ГОСТ 7293-85), из которых вырезали заготовки под образцы для механических испытаний. Заготовки подвергали нормализации (нагрев до 850 С, иьшержка 2 часа, охлаждение на воздухе), обеспечивая структуру : степень сферо иди нации графита (CCI) 90—95%, металлическая основа, - до 5% феррита, остальное - перлит. Испытанию на усталость подвергали образцы диаметром рабочего сечения 8 мм гладкие с фиксированным опасным сечением и с круговым надрезом; испытания проводили на машинах МИП-ЯМ цри натружения по симметричному циклу с частотой 50 цикл/с, база испытаний 10 6 циклов. Строили кривые усталости гладких и надрезанных образцов, определяли пределы выносливости О.i и <7_i" , коэффициенты концентрации напряжений К^ и коэффициенты чувствительности к концентрациям напряжений q. Сопротивление чугуиа ударному нагружешно (СГуд ) определяли при испытании образцов 10 х Ю х 55 мм без надреза на автоматизированной двепаяцатнпознционной матине. Демпфирующую способность ( Йц) определяли на экспериментальной установке с электомагнитпыми возбуждением конструкции ЩИ НАН Украины с использованием плоских образцои толщиной 2 мм. Модуль упругости (Е) определи™ динамическим резонансным методом при амплитуде напряжений я образце 0.005 МНа на ус1ановкс конструкции ИПЛ 11АНУ. С целью повышения точности оценки характеристик, свойств и структуры ЧШГ использовали стандартные методы статистической обработки результатов экспериментов. Химический состав ЧШГ в заготовках (масс.%):3,62 ... 3,72 С; 2,76'... 2,91 Si; 0,34...0,40 Мп; 0,01 S; 0,029 ... 0,030 Г'; 0,03 О; 0,03 ... 0,05 Mg. Результаты экспериментов представлены в табл.3. При обработке кривых усталости получали уравнения их левов ветви для гладких и падрезатгаых образцов (вида 1g N|> =A-m!g<7 ) и определяли коэффициенты А и m как при гармоническом, так и при ударном характере циклического погружения. Диализ полученных данпмх показывает, чзо чугуны всех вариантов технолопга модифицирования и химического состава характеризуются близкими показателями статической прочное™, модуля упругости и твердости, однако существенно различаются jio характеристикам устатостой прочие ~ги,особенпо при наличии концентраторов

напряжений. Наилучшие показатели у чу|упои, модифицированных ФСМг. ''>10 сияиио со значительной рафинирующей способностью комплекс)илх модификаторов, которая, в сж>ю очередь, в значительной степени определяется их составом.

Таблица 3

Механические свойства Варна н т ы т е х н о л о I и и

1 2 3 4 5 6

N1 - Мд - Се лнгат ура ФСМг

Химический состав (масс.%)

0.60 Си 0.57 N1 0.«) Си 1.14№ 1.11 Си 0.65 № 0.60 Си 0.61 N1 О.бОСи 1.12341 1.18 Си 0.60 N1

■ О'п, МПа 750 760 850 810 790 860

°0.2, МШ 555 500 510 590 460 520

а-\, МПа 260 280 260 270 285 270

о" —1 МПа 160 165 160 195 175 170

НВ 278 266 279 275 261 272

3 4.1 2.9 5 5.4 4.2

ч 0.73 0.77 0.79 0.43 0.45 0.48

к« 1.63 1.69 1.63 1.38 1.43 1.56

V % 7=250 МПа 1.38 1.27 1.23 1.36 1.25 1.19

(/дин., МПа 1620 1780 1760 1830 1960 2010

Л !П Гар- ■шни легкое на- сужение Глад- шс >Срач ¿и -— 13.38 1 13.08 17.91 —

5.32- 5.11 8.22

Пбраз иы надрезом — 13.89 5.27 — —

Удар-нос «агру-жени( Гладкие обра> чы ' 30.44 30.81 30.81 0.00041 31.43

'0.00022 0.00025 0.00047

С! целый он'пшщацш! состава Ы'ЧП кТд'1!модиг|1икаи>ров ,Ч'1Ч обеспечения п ЧШГ п широком дп.шцюие охлаждения ида"Ш.К структуры и скотт» пссчедоттаио

■ишхннс содержании и цн\ (масс.%); 3.6...К),5 Мц; (|,2...12,К ('а; 0,()...Х,4 15а, 0,0...7,9 РЗМ; 0,6... 12,1 Л1 при содержании 4,Ч...М)% N1; остальное - железо. Нопучснпме уравнения множественной регрессии позволяют оценить влияние состава модификаторов на <|*>рму (< ('1'), диамс)р (0) к количество (N1 включений графита (при скорости охлаждения 1 Iрад/с н расходе 1,.*); 2,0 и 2,5% от массы модифицируемого металла), количеспю пемемгиза (при скоростях охлаждения отливки 1,0; 4,5; 11,5 1рли/с) и механические сиойсша ЧШГ электропечлой плавки п литом (л), отожженном (ф) и нормализованном (и) состояниях. В частности, при скорости охлаждения 1 1рад/с и расхаде 2,5% модификатора аш уравнения имеют »ид (К - коэффициент множссшешюй рирессии):

СС.Г = 20.8+ 21.33 Мц + 31.99 1'ЗМ - 10.83 Л1 - 0.31 Са М8 - 0.16 Ме + 0.08 81 Са - 0.5 1'ЗМ Са - 0.48 РЗМ Я) - 0.38 Ва Mg + 0.06 Ва - 0.39 Па РЗМ -0.76 А1 Mg + 0.28 А1 К; - 0.5 Му; 0.12 Са2 - 0.42 РЗМ2 К= 0.935

Ц = 15.571 - 1.37Са - 0.586 51 + 0.105 М - 0.086 РЗМ Са - 0.249 На Мв + 0.289 Ва Са - 0.036 Л1 Mg - 0.325 + 0.072 Са: + 0.199 РЗМ2; % К=0.922 </Ьи = 558.4 + 9.044 РЗМ + 6.823 Ва ; Мча Я=0.880

<7Ъф= 497.3 -) 6.6 РЗМ; Мма Я=0.725

ОЬн= 674.9 - 4.697 М£ +3.464 Са + 10.455 РЗМ; Миа К=0.944

д„~ 3.737 Ва + 0.179 Са , % 11=0.621

<5ф= 12.217 + 0.739 РЗМ + 0.5 Ва + 0.372 А1, % К=0.760

<5П= 3.349 - 0.107 Мр + 0.099 Са + 0.05 А1, % К=0.793

Анализ полученных зависимостей показывает,что кальций (при содержании до 6 % ) улучшает форму, измельчает и увеличивает количество включений графита. Положительное влияние РЗМ на структуру храфита проявляется при содержании до 2...3%. Установлено положительное влияние бария на структуру графита в присутствии кальция ( до 4 %) и алюминия (6...12%). Количество цементита в ЧШГ зависит главным образом от скорости охлаждения, одпако Са, Ва, А1 и РЗМ способствуют графнтпзации. При атом интенсивность их влияния зависит не только от количества данного элемента, но и от соотпошеши нх концентраций и скорости охлаждения. Прочность в литом состоянии в наибольшей степени зависит от содержания РЗМ и Ва, в ферритизнровапном чугуне наиболее сильно влияют РЗМ, в перлитизировацном - все исследованные элементы. Относительное удлинение, повышается с повышением содержания кальция, в ферритизировапном чугуне - с повышением содержания РЗМ, Ва и А1. На твердость ЧШГ решающее влияние оказывает содержание РЗМ. Полученные уравнепия позволили оптимизировать состав сферовдизирующих модификаторов, используются для прогнозирования структуры и свойств ЧШГ в отливках в зависимости от состава комплексных модификаторов, а также заножены в базу данных разрабатываемой на АО "КамАЗ" системы автоматизированного проектирования технологических процессов литья ( САПР ТШ1).

Возможность получения тонкостенных отливок из ЧШГ без структурно свободного цементита в значительной степени предопределяется эффективностью вторичного

о

графитизирующсго модифицирования. Проведенные исследования позволяли обосновать выбор состава вторичных модификаторов при получения отливок из ЧШГ в условиях повышенной интенсивности теплоотвода & литейной форме. '

При выбранном типе и составе модификатора в методе модифицирования структура и свойства ЧШГ в значительной степени определяются его хтшчесхии составам и скоростью охлаждения отливки р форме. ' , • '

Исследовали влияние крекшия (2,0...3,5%), марганца (0,4—1,2%), олова (0,0—0,5%); никеля (0,0—1,5%), меди 0,0—2,0%) при содержании 3,6-3,8% С, •0,04—0,06% Сг, 0,05—0,07% Р, 0,01... 0,02% Б и 0,035-0,060% ' М£' на структуру и свойства алектропечпого чугуна, м одифицированиого в ковше модификаторами типа ФСМг. При атом обеспечивалась ССГ в пределах 88-97%, феррито-перлиптая матрица при отсутствии струкзурло свободного цеиентита-С^орость охлаждения литых заготовок в местах вырезки образцов для металлографических исслеяовашш и механических испытаний составляла 0,05; 0,12; 0,25 и 1,30 град/с- В результате статистической обработки результатов экспериментов получены регрессионные уравнения, отражающие влияние химического состава на Количество феррита (остальное перлит) при соответствующей скорости охлаждения. В частности (11=0,84—0,89):

Ф1Л=45.22 - 108.53 Мп - 22.95 Си - 287.96 Бп - 13.23 Си 81 + 48.84 Мп Си + 299.76 5п Си •+ 3.25 45.р9 Мп 2 + 16.64 Си2 +■ 46X68 За,% ■ Фао5=66-59+ 18.21 в! - 123.33 Мп - 98.39 Си - 522.75 5п + 44.51 Си Мп -5.20№ 81 + 12.20№ Си + 333.59 Бп Си + 50.89 Мп2 + 24.80 Си2 + 779.87 8п 2 , % Влияние химического состава на механические свойства ЧШГ ( СГЬ, (5, КС, 11В) в литом (л) и нормализованном (н) состояниях 6 стандартных клиповых заготовках отражено о полученных регрессионных уравнениях. В частности (Я=0,8б—0,91): Оь, = -131.7 + 559.8 в! + 17019 Мп + 485.6 Си - 287.0 Си Мп - ' 120.3 &2 - 111.8 Си2, М11а ■ ' „

СГЬ„= 253.2 + 577.3 Яг - 440.4 Мп + 118.0 Си + 160.8 - 93.4 Си Мп -31.4 № + 52.5 № Си - 777.8 Бв Мп - 135.1 512 + 84.4 №2, МПа Диализ полученных данных показывает, что в нормализованном ЧШГ кремний при содержании 2—3% практически не влияет на прочность р пласгичнос». Медь, особенно при повышении содержания до 0,8...1,0%, незначительно снижает пластичность и твердость. Марганец снижает прочность, пластичность и ударную вязкость. Упрочняющее действие никеля проявляется слабее, чем медц, при ртом несколько повышается 11В без заметного изменения КС. Олово снижает Оь' КС] и НВ.

Полученные зависимости используются для оптимизации и прогнозирования структуры и свойств ЧШГ в литом состоянии, а также механических свойств нормализованною чутуна в зависимости егг содержания легирующих элементов. ,

Результаты исследований но влиянию химического соспша на механические свойства нормализованного (перлитного) ЧШГ послужили основанием для дальнейших исследований по оптимизации составов чу1ун<п(, нодпершутых различимы видам термообработки.

Дифференциальный термический анализ (Д'1'А) являйся одним ит наиболее универсальных и перспективных методов, позшшяммцих контро лирован, н при] позировать

процессы формирования структуры н свойств литейных сплавов при затвердевании и охлаждении отливки в форме. С помощью разработанного автомата ntponaimoro многоточечного измерительного комплекса было иссдедоваио влияние химического состава и скорости охлаждения на структуру и механические свойства ЧШГ, выявлены закономерности взаимосвязи характеристик, получаемых с помощью ДТА, с критическими температургмл, структурой я механическими свойствами ЧШГ., что нашло отражение в следующих зависимостях:

TM-eso' 512-96 + ехР ( 9-39 " 5'57 V*» )• с R = °-98 650 = 311.68 + ехр ( 9.39 - 6.14 V*» ), с R = 0.99

650 = 581.03 + ехр ( 9.36 - 5.95 V*» ), с R = 0.97

Тс = 1154.13 + 8.23 Si - 8.54 Ма -t 19.50 Ni + 19.26 Си - 7.08 Vooo, С R = 0.79 Ts = 747.26 + 29.47 Si - 32.66 Mn - 44.92 Ni - 36.20 Cu - 9.95 V<«o, С R = 0.81 Sr = 8.23 + 5.14 С - 1.12 Mn + 0.51 Ni + 1.43 Cu - 1.03vooo, % К = 0.77

N = 75.93 + 7.25 С - 13.18 Mn - 22.14 Ni + 56.69 Cu + 31.97V«oo, nrrW R = 0.83 dr= 41.78 + 4.60 С - 16.67 Mn - 5.80 Ni + 3.56 Cu - 5.74 У<юо, мкм R = 0.81 П = 48.99 - 4.76 С + 15.83 Mn + 26.75 Ni + 32.76 Cu + 7.08 Vooo, % R = 0.79 (7B= 510.26 - 23.65 С + 3.64 Mn + 10.19 Ni + 143.72 Cu + 537.33 V900, Mna

К = 0.79

(70 2= 413.69 - 27.66 С + 3S.59 Ni ■+ 121.30 Cu + 224.56 V900, МПа R = 0.96 6 =8.14+1.34 С - 4.87 Mn-0.85 Ni-5.58 Cu 9.42 V900, 96 R = 0.79

Выявленная высокая етесеяь корреляции между длительностью охлаждения до 650 С от максимальной ПГ^—550 ), jctcI'.tí'/"cc";c:i теьтературы и температуры

ликвддус (Г;,_650) и скоростью охлаждения при прохождения температуры 900 С (V900) позволила выбрать Vooo в качесгее критерия реальной скорости охлаждения отливки в форме. Полученные зависимости, отражающие влияние химического состава и скорости охлаждения на структуру и мехацлгчесхне свойства ЧШГ, используются для прогнозирования структур" и езойстя ЧШГ 8 отливках.

С целью выбора оптимального состава и структуры ЧШГ' для обеспечения яоегатосвет долговечности имсокон^руженных дгтлей. эксплуатируемых н рижимах интенсивно)« циклического нагруженмя, нсслсдоначи характеристики усталостной прочности и демпфирующей способ]гости »¿-скольких парпантпн ЧШГ с рлкшчной структурой мс'( аллической основы.

Исследовали влияние содержания Mn, Си, Ni. Мо на <7о.:, О л " чугуна с различной структурой металлической осиони. Чугун алсктропечной плавки после обработки к ковше модификатором Ф('Mr имел базорий состав (масс.?): 3,6...3,8 С; 2.6...2,8 Si; <0,06 I'; <0.02 S; 0,03...0,06 Мр. Ч.гшил'ш ст:шдар:ние к тоновые пробы. Вырезанные из них заготовки образцов дч:1 м":.и:уг!гчк:г: пгаьггдшш нодпсркАчи термической обработке но режимам, оъссисчнн.шншш i[-x>pviii|->oitamic феррп пнш (Ф), перш i по:! (II), бейнмтной (Ь), Гктпнгшо ферритом (Ш>, ?5...3fKí. ф) и марн-шнтной (М) структур металлической оспокы. Пределы и ímcíR'UHíj ul п|У'1!)1!шх очемгпнш Оьын кмбраны по регуо.'гагам предварительно проведении*. (масс."/г) : (),3...1,1Мп. 0...l,3Cu, 0...1,lNi;

0...0.3М«. Поручены рс1р«\'|Н)И1.ю урант-ния. отражающие ялпяютв vrrix элементов на

статические и усталостные характеристики механических свойств ЧШГ. 15 частиоетн, для перлитного (II) н (кйнитною (Ь) ЧШГ:

О"о.2ц = 440 78 N1 + 234 Мп Си - УЗ Мп N1; Мча к=0./.Ч1

а и, -- 339 - 53Си - 217 Мп - 6.9 N1 + 240 Мп Си + 24 Мп МИа К-0;9У4 К„„ =- 0.49 -I 2.91 Си + 0.38 Мп ■+ 0.07 N1 - 9.47 Мп Си ч 0.18 Мо N1 К=0;796 <%2Ь= 604 -+ 46 Ми +412 N1, М11а 11=0.975 а. 1ь = 385 - 57 Мп -+■ 9.2 Си , МПа К=0.998 _ К„к= 2.05+ 0.17 Си - 1.11 № ' К =0.994

'')ги уравнения и носфоеиные ко ним фафичеекле зависимости были использованы для обоснования выбора состава лсшрующего комплекса при различных вариантах легирования (шсс.%): 1 - 0,3 Мп, 0,81 Си, 0,46 0,ЗМо; 2 - 0,3 Мп, 0,8 Си, 0,5 №, -0,2 Мо; 3 - 0,5 Мп; 0,5 N1, 0,3 Мо; 4 - 0,5 Мп, 0,76 Си, 0,6 №; 5 - 1,0 Мп, 0,7 Си, 0,6 N1.

Анализ полученных даниылии.пверждает тенденцию возрастания Зц с повыгаепием амплитуды напряжении, врачей это наиболее выражено в ферритцом ЧШГ. Если сравнивать значения (5ц при одинаковой амплитуде нагружения, то ЧШГ с бейпйто-ферритпой структурой превосходит перлитный и маргсисиишй чу1уны, наименьшее значение - у бейнигнош ЧШГ. Отмеченный характер соотношений значений декрементов колебаний изменяется, если срашие ¿лих показателей проводить не при одинаковом но абсолютному значению урошио натружеиия, а при напряжениях, пропорциональных пределу текучести данною материала, т.е. с учетом близости этих напряжении к пределу усталосги. Необходимость в таких исследованиях вытекает из возможности интенсивного нагруженря, в том числе циклического, при использовании материалов с большими значениями статической и усталостной прочности при сохранении на том же уровне устаноолешюго коэффициента запаса прочности материала в конструкции. Полученные результаты позволяют заключить, что если« например, при напряжении 40 МПа различия н декременте чуптоп перлитного и бешштиого составляют около 50%, то ври увеличении амплитуды нагрухеыкз до 120 МПа эти расхождения сокращаются до 30%, а при напряжениях, составляющих 0,1...0,2 величии пределов текучести (что равно 0,17...0,33 и 0,22—0,44 величин пределов усталости соотвстствеш.о для ЧШГ с перлитной и бейшпной структурами) эти чугупи по демпфирующей способности практически не различаются 11 лишь на 25...30% уступают бешштно-ферритному и феррттюму ЧШГ. Анализ амплитудных зависимостей декрементов колебаний изученных вариантов составов чу!уиов показывает, что как при перлитной, так и при бейиитной структуре лучшими в отношении демпфирующей способности являются легированные медью и никелем ЧШГ с пониженным содержанием марганца при отсутствии молибдена. При перлитной матрице наилучшим комплексом свойств обладает ЧШГ с низким (0,3%) содержание^ марганца, лешрованньш 0,7...0,8% Си, 0,4—0,5% N1, до 0,3% Мо. В случае бейтгшого ЧШГ наилучшие результаты получены при реализации вариантов 1 и 3.

В табл. 4 приведены данные о механических свойствах ЧШГ бейнитнош (К) и перлитного (П) классов, полученных при различных вариантах легирования и

tto,'ítiepin,-ii.jv looiiiriniií'iiiio, и ¡o 11 рм и чсси ni ¡акачке и hdjjm.uiii мини t уср^шсикыс fffa'u и и ч).

Табчипа 4

Вариак|ы jlcl Прокапли Меха и и ч с с к и с с и о ¡i с т н а

"I. "о.. J '•>-; О л" "/С К„

Villa

II. 1 305 SI0 375 225 4.9 1.67

lit <430 SM) 290 195 4.6 1.49

21. — ■ - — ...

211 «20 5«5 290 185 5.0 1.57

*¡} 11X0 860 390 220 3.2 1.77

VI 645 440 - — 3.8

41. 1130 К90 360 2-15 3.0 1.47

411 800 590 280 185 4.0 1.51

5íi 1210 900 330 220 2.0 1.50

Ж 830 5X5 260 165 2.0 1.5»

Требования, нреяьяиляеиые конструкторами к ЧШГ для коленчатых f.a ion и шестерен а1ггомобиля "КамАЗ", приведены в табл. 5.

Таблица 5

Найме нова- и И с д с т а л н Механические сво йс т в а

»0/2 О-г 6, % КС, кДж/м2 Kic, МНа*м"2 Е*10"4, МНа

МНа

и е менее не

Коленчатый ват Тип 1 750 500 200 3 200 — 1.78

Тип 2 KHK) 700 250 5 500 65

Шес-гернн 1200 1050 300 5 550 60

При этом исходили из необходимости получения двух, отличающихся но конструктивным особенностям и условиям работы, коленчатых ватов: для серийиою ( тан 1) и для нерснектшпюго форсированного ( тин 2) дишагеля.

Сопоставление нодучешшх данник о свойствах лешроианных ЧШГ с различной структурой металлической основы с требованиями конструкторов к ЧШГ для коленчатых валов и шестерен позволили сделать вывод о том, что наиболее перспективными для и з «утопления коленчатых пазов типа 2 и тестера! являются ЧХШ' бейшггаого класса, а для изготовления коленчатых валов тина 1 достаточным уровнем свойств обладает ЧШГ перлитного класса.

Важный научный н практический интерес представляет вопрос о влиянии структуры исходного ЧШГ на структуру в свойства получаемого в результате изотермической закачки БЧШГ.

Доя оценки стсвсшв и характера влияния структуры ЧШГ на структуру и свойства ЬЧШГ оптимизированного состава при базовом режиме изотермической закалки (1а=920 С,Га = 1ч; 1и = 350 С!, Та = 2ч ) использовалось наиболее струмуроочувсгвитслымя характеристика механических свойств - трещиностойкость (вязкость разрушения) К;с. Образцы для испытаний иа виецеитрепное растяжение ( ШСТ 25.506-85) и по методу .1-штлрала вырезались из литых заготовок толщиной 25, 50 и 200 мм. Исследовалась ЧШГ, модифицированные в ковше и в литейной форме модификатором Ф('Мг5. За счет нзмспспия скорости охлаждения (толщины стопа) и метода модифицирования в исследованных образках обеспечивалось варьирование характеристик етруктуры трафнта (при С.СГ =88-92%): с1,«30...110 мкм, N«90-312 нгг/мм2. За счет отжига и нормалижадаи получалась, соответственно, ферритная и перлитная структура матрицы. В ферритном ЧШГ за счет изменения структуры графита значение К(с колеблется в пределах 72—91 М11а*м , в перлитном - 38—53МПа*м"2. В то же время в изотермически закаленном ЧШГ, вне зависимости от исходной структуры, зиачевня Кк: колебались н сравнительно узком интервале 65-68 МПа*мш . Результаты атих мкеперимсигаи, а также сопоставление других характеристик механических свойств ВЧШ1' с различном структурой графита м матрицы свидетельствуют о том, что свойства БЧШХ* при данном химическом составе определяются преимущественно режимами изотермической закалки. Следовательно, для получения БЧШХ' могут использоваться ЧШГ соответствующего состава без сушестпсппой корректировки процесса сто получения.

Выявлении«: особашости структуры и свойств КЧШГ потребовали проведения комплекса исследований по выявиеаию закономерностей влияния иа них. химического-состава и режимов изотермической закалки.

Исследовали влияние, основных и легирующих элементов на структуру и свойства ЧШГ, модифицированною а ковше ФСМг, нри их варьировании в следующих пределах (масс.%): 3,2-3,8С; 2,0-2,85 вг; 0,2-1,1Мп; 0-1,4 Си; 0-3,6 N1; 0-0,7 Мо. Режим изотермической закалки 1а=850, 900, 950 С; Га=0,5 ч.; 1,= 300, 350, 400 С; Г„=0,3...7,0 ч. (соляная ванна). Количество остаточного аустепита (Л) определяли реитгенофафическим методом. В результате реализации матрицы плакируемых экспериментов и статистической обработки их результатов была получена система рирессионых уравнений:

а„=4196,113 - 53,742 Мп (4,584+Мп) - 10,786 № (1+1,311 №) + 48,656 Мо (18,156 Мо) - 0,01063 1и (1130,707 - 1„ ), Миа, К = 0,9698.

11В=1334,067 - 0,149 № (74,619 + №) + 2,828 Мо (1- 21,764 Мо) - 5,113*Ю:3 1и (894,161 - 1И), К=0,9328

<5 = 103,3661 - 2,463 Мп (4,152 - Мп) - 1,338 Мо (1 + 5,53 Мо) + 6,151*10'5 ( 2258,267 - 1а) 4 1,844 1Н (954,456 - (и) + 7,822*105,%; Я=0,8555 Л =-308,494 - 1,789 Мп (1-4,289 Мп) + 0,3424 № (3,261 + №) + 1,107 * 10ч (2151,921 - 1а ) + 1,41 * 10 792,973 - 1и) - 3,652 * 10"4 Ти, % Я = 0,9167.

15 полученных уравнениях влияние содержания меди оказалось незначимым. Специально приведенные дополнительные «следования показали, что при изменении содержания меди в пределах О— 1,48% показатели механических свойств и количество оп.пп'шою аустспита изменялись несущественно ( (Ть—1210...1270 МПа, НИ)...889 МП;., д= 7.9—8.6% , 1111=369..374, А=28,6-32,6%, чугун содержал 3,55% С, 2,5% 0,35'*. Мп; ь=-900 С, Г~0,5ч., 1и=350 С, Ги=2,5ч.). Однако введение меди в ЧШГ ли "ьт'щ.но «1-м ее иоложигашого влияния на ликвационные процессы и нрокатшисмоеть. При оценке ирокалнваемости использовали метод торцевой закалки. Стлпдаршыс <>Г>|ышы диаметром 25 им п длиной 100 мм (ГОСТ 5657-69) нагревали до "00 С. пичсржннани 45 пин и тагем закаливали с торца струей воды. Количестаетюй 41 ¡>ин -{.ткатииаемосги являлось расст-оииис от охлаждаемого торца образца до зоны с ночумаргепситной структурой ( мартенсита, 50% тростита), которая имеет твердость 40 МКС. Установлено, тго необходимая прокаливаемость (до 15 мм) обеспечивается при содержании 0.4...0/>% Си. 0,8... 1,0% № и 0,25...0,3%Мо. Ввод молибдена в ЬЧШГ 1П1Д.1Ш1Я1-Т жрптюе превращение, изменяет положение областей образования продуктов рлепачл аупх-ни га. улучшая прокачинаемость чугуна, однако при ввечепип более 0,3% Мо огносшсльное у;1линемме снижаст\'Я почти к,1Н1>е.

С целью оценки возможности использования исследовапных ЬЧШГ для итгототшепия деталей тина шестерен про сравнительные испытания на износостойкость зачатых

пар, н л отопленных из ЧШГ с различной металлической основой. Итпосостойкостъ оцшннани н» суммарной потере массы шестерни и котсчм. Химический состав ЧШГ для зубчатых нар (маес.%): 3,41 С, 2,25 5!, 0,4 Мп, 1,28 №, 0,85 Си и 0,4 Мо. Режимы тахалки: 1а - 900 С, Тл = П,5ч, 1и=250, 300, 350, 380 С, ги = 1.0...4.0 ч. Исньггания зубчапах нар показали, »гго шестерни И1 ЬЧШГ имеют минимальную потерю массы. Повышенной и шосостойкостмо обладают пары ит ЬЧШГ с Л = 25...32 % и ПВ -340...388.

Н результате решения сдачи оптимизация состава и режима изотермической закалки для ит10Т0Ю1смия коленчатых валов тина 2 и тестере» автомобиля "КамАЗ" предложен ЧШГ алектропечной плавки, обработанный шу!рн формы модификаторами типа ФСМг или в ковше М М}' Се лигатурой л ФС75, следующею состава (масс.%): 3,65 ..3,95 С; 2,1-2,4 < 0,5Мп; 0,2...0.3 Мо; 0,4-0,7 Си; 0.8...1,2 N1. Для обеспечения свойств, предусмотренных требованиями к материалу коленчатых валов и шестерен, рекомендованы следующие режимы и готгрмяческой закалки: 1а = 900 С, Га = 1ч, для коленчатых патов - 1и = 350 С, ТИ = 1,5ч; для шестерен - Ц = 300 С, Та = 1,5ч. Сравнительные иесиедопашш кошпрукцешшпй нрочшостн разработанного ЬЧШГ ( 1 -для коленчатого вала типа 2, 2 - для икстеран) н сталей 42ХМФА (ТУ14-1-5083-91), используемой доя кя'отсяиеяия коятчаггых валов, и 20Х1ПМТА (ТУ14-1-3324-82), используемой для нзсотивлсши шестерен, приводились по единой методике. Образцы вьгретлтнсь из стачьных таготовок и подвергались полному циклу заводской термической обработки. Результаты <>Пр№меНня механических свойств ( усредненные значения) ЬЧШГ и сталей нртгейопм в таба. 6.

Таблица 6

1b

Материал ^0.2, V КС кси ^н, 'S , щщ НИ

Mlla % кДж / и' :/=12ÖMIia ИКС К'

БЧШГ 1 1280 1105 315 6.8 6.3 5S5 110 0.72 335

2 1380 1175 338 5.7 5.5 570 100 0.76 355

Сталь 42ХМФА 885 715 425 12.0 42 — 9X0 0.27 30

Сталь 20ХГНМТА 1150 960 448 11.0 62 —- 1030 0.25 32

Из таблицы видно, что по уровшо слоист разработанные ЬЧШГ могут использоваться взамен сталей, обеспечивая рабогоепособность коленчатых налов и шестерен. Изотермическая закалка является одной in наиболее важных операций при получении ЬЧШГ. В настоящее время для обеспечения бешнпного превращения наиболее широко применяются соляные ванн и. Учтивая техиолошческне и организационные недостатки применения соляных ванн, а также возникающие при их использовании экологические проблемы, были проведены сравнительные исследования влияния типа агрегата и закалочной среды (соляная ванна, установка псевдокипящего слоя) на структуру и свойства БЧШГ при постоянстве состава, технологии получения 41111' и режимов изотермической закалки. - Результаты экспериментов подтвердили перспективность использовали установок псевдокипящего слоя вместо соляных ванн при изотермической закалке ЧШГ и послужили основанием для разработки технического задания на проектирование полупромышленной установки псевдокипящего слоя.

З.Влияние пластического деформирования на структуру и свойства ЧШГ и БЧШГ. Пластическая обработка высокопрочного чугуна в сочетании с аффективными режимами термической обработки - один из наиболее перспективных путей реализации потенциальных возможностей ЧШГ и БЧШГ.

Исследовали влияние методов горячего пластического деформирования (горячее ■идродинамическое выдавливание квазижидкими средами, горячая штамповка на гадравлнческих прессах при различных температурно-скоростпих условиях в иютсрмических пгтамповых блоках, прокатка) на структуру и свойства ЧШГ и ЬЧШГ.

При Горячем гидродинамическом выдавливании реализовались условия всестороннего сжатия, что способствовало проявлению положительного влияния высоких гидростатических давлений н температур на технологическую пластичность ЧШГ. Исследовался ЧШГ ферритио-перлптното класса мархн ВЧ50, полученный в виде цилиндрических заготовок методом полунепрерывного литья. Заготовки деформировались на серийном ЮО-тонном кривошипном крессе К21310 методом горячего гидродинамического выдавливания квазижидкими средами, разработанным в ФТИ АН Беларуси. Под воздействием деформации графитные включения в чугуне вытягиваются в направлении течеция металла. При малых степенях деформации (до 20%) они еще сохраняют достаточно округлую форму, а начиная со степеней деформации 55...60% но краям графитных включений появляются так называемые "усы" - острые концы, вытянутые параллельно ианравлегшю течения металла, при этом средняя часть включения остается утолщенной и имеет близкую к ромбовидной форму. В дальнейшем включения

cute более ш.няшнаютсн, приобретая форму нереген или mui с острыми концами. Н нонеречном сччсннн с уис.ш чепием crcuciiii дс||*>рмапин наблюдается уменьшение размеров (рифншых включений. Соотношение | ы . Kij>t>n )рафншон> ПК I lo'U'i Hi я и поиеремиом и продольном направленная можем служип. мерой сю Так,

если и литом состоянии для ираинльпого сфероида это соотношение рашю 1, то в деформированном со егепеныо 80% металле. оно сосгалдяст O.O.S...0,1. Начиная со степени деформации 60% и выше, зам nun появление мелких графитных включении, расшибающихся «обособленно н металлической (K'noix:, м го. очевидно, связано с увеличением центров 1рафитнзацнн иследсшнс роста количества точечных и линейных дефектов решетки пропорционально степени деформации. Перлит в структуре деформированною чу|уна становится менее разреженным, более дисперсным. Количество перлита возрастает с 40% в исходном чу1унс до 70...80% яри 80%-иой деформации. С увеличением степени деформации прочностпыс и пластические характеристики высокопрочного чугуна при испытаниях на растяжение и ударную вязкость в продольном направлении повышаются, достигая наиболее высоких значений нри С = 80%. При »той степени деформации пределы прочности и текучести возрастают в два раза, достигая величин 980 и 800 Ml [а, соответственно, относительное удлинение увеличивается с 2,2 до 4,2%, ударная вязкость - со 142 до 178 кДж/м2. Особенности влияния пластической деформации на механические свойства ЧШГ объясняются конкурирующим влиянием ухудшения формы 1рафитных.»кл1очений и упрочисния матрицы. С повышением степени деформации возрастает плотность чу!уна ( с 7,09 i/cm3 при Е = 0% до 7,37 г/см3 нри £ = 80%), что связано с уменьшением количества микродефсктов и несплоишостея структуры.

Изотермической закалке подвергался ЧШГ исходного состава, дополнительно легированный 0,58% Ni и 0,43% Си .Заготовки после выдавливания сразу же помещали в свинповую ванну с tH — 350 С, Ги = 1 и 2ч. С. повышением степени деформацмии нри малой длительности изотермической выдержки (Ги = 1ч) в структуре БЧШГ может оставаться до 45% остаточного аустенита Тахии образом, горячая пластическая деформация замедляет бешиггаос превращение в ЧШ1'. Результаты влияния режимов деформирования и изотермической закалки на свойства ЧШГ приведены в табл.7.

Таблица 7

Режим обработки Количество М е х а н и I е с к и е свойства

с1стяточного аусгешгга , *

Степень предшествующей спастической реформации, % Цншелышсть изотермической выдержки при 350 С, ч % <4 Мпа Ö0.2, Мпа <5 » % Н, бейнита

20 1 0 573 490 1.0 290

2 0 680 596 2.0 310

60 1 30 1104 933 2.7 442

2 5 1246 1068 2.3 362

80 1 45 931 760 4.5 461

2 10 1023 845 3.2 407

Как видно, наиболее высокие свойства обеспечиваются ири изотермической закалке дефрмнрованного ЧШГ <ДЧШГ)> дополнительно ¿тегированного никелем и медью. Металлографический анализ показывает, что с увеличением длительности выдержки при одной и той же степени деформации количество бейппта в структуре чугуна возрастает, т.е. бейиитпое превращение протекает боле nomio. В то же время с повышением степени деформации вабдтщается увеличение количества оставшегося аустешхта, т.е. горячая пластическая деформация замедляет бешштиое превращение в чугуне. Выявленная зависимость интенсивности протекаияя бейюпного превращения от степени предварительной деформации и режимов изотермической закалки позволяет регулировать свойства деформированных ЧШГ в широких пределах и использовать метод горячего штастичсского деформирования для изготовления деталей , в частности шестерен, с заданным уровнем свойств.

С целью определения отгпшахышх режимов пластического деформирования ЧШГ исследовали влияние температурив - скоростных характеристик деформирования в квазвнзотермическях условиях на гидравлических прессах. В качестве исходного материала использовались цилиндрические заготовки ЧШГ, полученные методом полунепрерывного литья, следующего состава (масе.%): 3,4 С, 2,4 Si ,0,45 Мп, 0,1 Сг, 0,3 Ni, 0,2 Mo, 0,4 Cu, 0,05 Mg, 0,025 S, 0,06 Р. Осадку крупных заготовок диаметром 50...180 мм и высотой 100... 180 мм проводили на гидравлическом прессе усилием 1600 тс с использованием цтгампового блока УИД1Ш - 400. Штамповку заготовок шестерен производи®! на этом же прессе в универсальном штампе, нагретом до температуры 450 С. Модельные образны деформировали на гидравлическом прессе EU - 100. Для получения зернистого перлита и повышения пластичности ЧШГ перед деформацией была опробована термоцикдическая обработка по режиму: 650 С (30 мин), далее 750 С (30 мил) - всего 5 циклон с дальнейшим охлаждением на воздухе. При температурах деформации 750...800й С и скоростях деформации 2*104...103 с'1 коэффициент скоростной чувегеаггельности был в пределах 0,37—0,46. При этом относительное удлинение составило 80...100 а напряжение течения 30—40 МПа. Установлено, чз-о формирование в ЧШГ мелкозернистой структуры и определенные температурно -скоростные режимы деформации обеспечивают условия для реализации эффекта сверхпласгичцосга. Полученные даные также показывают, что ЧШГ даже в литом состоянии при тех же режимах деформации показывают способность к значительным пластическим деформациям. Это обусловлено, очевидно, тем, что н ходе деформации микроструктура измельчается в результате динамической рекристаллизации, тем самым способствуя созцашпо условий для проявления снерхнластичности на конечной стадии деформации. Это открывает возможности для создания высокоэффективной малоотходпой технология получения сложнонрфильных деталей. Таким образом, изготовление высокоточных штамповок, н частности шестерен, может бьгл. осуществлено с применением сбычпой закрытой схемы штамновхи. Свойства ДЧ1Ш' в значительной степени зависят от режимов термической ибрабшки, наиболее высокие механические свойства имеет ДЧШГ, подвершу) ып шозерми ческой затишке. Данные о влиянии режимов изотермической на механические свойства ДЧШ1' нршкцены в табч. X.

Таблица 8

Варианты обработки Р е ж и мы обрабо тки Мех а н и че ские ев нет а о в

0*0.2 <5, % У» % НВ кси, кДж/м2

МПа

1 Литое состояли е 745 630 2.3 2.5 250 23.4

2 Деформа ция Тд =950С 880 655 с А лоп 47.5

3 Деформа ция Тд =850С 715 605 2 1.6 260 65

4 Т„=850С, Т^ЭДОС, г«=Л*5ч, ТИ=350С Гн=2ч 1100' 940 9 6 260 115

5 ТД=850С Та=900С Га=1.5ч ТИ=300С Ги=2ч 1240 1090 5.5 4.8 290 95.5

6 Т,=850С Та=900С га=15ч Т,=250С Га=2ч 1540 1360 2 2 440 43

Весьма эффективной представляется разработка комбинированной технологии изготоачения заготовок для деталей типа шестерен, особенно крупногабаритных, заключающейся в получении на первом этапе штамповок и окончательном' формообразовании зубчатого венца в процессе накатке. Наиболее близко к условиям пластического деформирования чугуна при накатке зубьев шестерен находится материал, подвергнутый пластическому деформированию в процессе прокатки.

Прокатке на стапе с гладкими пачками диаметром 250 мм подвергались клиповые и плоские заготовки из чугуна ферритно-перлитпого класса марки ВЧ60, полученного за счет ковшевой обработки №-М§-Се лигатурой ""совместно с ФС75. Варьировались температура нагрева и гадчержки в печи под. прокатку, количество проходов, степень обжатия и режимы термической обработки образцов для механических испытаний, вырезанных вдоль и поперек направлений прокатки. Результаты экспериментов подтвердили принципиальную возможность повышения механических свойств ЧШГ и БЧШГ 1а счет горячего пластического деформирования, выявили особенности изменения структуры графита и матрицы. Особсиностмо влияния прокатки на структуру графита является придание сто включениям формы "чечевицы". При изменении степени обжатия от 25 до 70% отмечено увеличение <7н в 1,5...3 рача в продольном и в 1,6...2 рата в поперечном направлении прокатки, снижение п 1,3...1,4 раза относительного удлинения, незначительное повышение ударной вязкости п продольном направлении н существенное ее снижение и поперечном направлении. При итотсрмичсскон закалке чутуиы, поднершутые прокатке, имеют такую же, по более сильно выраженную, склонность к упрочнению.

4.Технология получения заготовок шестцюн.

4.1. Лптьс в песчано глинистые формы « т> 1НМ> процессу.

'.О

При выбо(»е тсхнолоши изныоилсиия заготовок шестерен ч качестве отливок -представителей били втягы чевдри наименования шестерен заднею мола .пшшобили КамАЗ", отличающиеся коифжурацнсй, размерами и конструкт иными иеобешккчямн (черт. 5320-2402017, 5320-24020«), 5320-240212010. .5320 2402] 10-1 П>. Хш

получения плотной Гк:¡дссреилой литой заготовки все параме1ры техночожчеекого процесса отрабатывались при кочш.кпгрном моделировании тепловых, гвдрашшчееких и деформационных особенностей процесса формирования структуры и свойств ЧШ1' в конкретных отливках. Опытные парши отливок заливались но Ш1Ф - процессу н в сухие песчапо - глинистые формы. Состав (масс. %) и режим термообработки ЧШГ: 3,8...3,9 С!, 2,2—2,35 «1, 0,40-0,43 Мп, 0,8-0,85 №, 0,53-0,56 Си, 0,23-0,26 Мо; 1а=900 С; Т;,=1 ч.; 1И=300С, ТИ=1,5 ч. При испытании образцов, вырезаных из заютовок, были получены следующие свойства: в исходном (литом) состоянии - Оц = 770—780 МПа, (¡¡>2~ 670...680 МПа, 5 = 3,2-3,4 %, КС = 280...285 кДжУм2, 255...280ЦИ: после изотермической закалки - <ГВ = 1365...1370 Мна, (Го.2 = 1140-1145 Мпа, <5 = 5,2-5,6 %, КС = 570-575 кДж/м2, 340...350НВ ( А = 30-33 %).

Неразрушающне методы контроля, исследование качества металла после разрезки заготовок в наиболее опасных сечениях, а также иизуачишш контроль ютовых деталей после их механической обработка цодтверцили адекватность модельных и реализованных параметров технологического процесса, высокое качество литых заготовок и соответствие структуры и механических свойств ЧШГ в загояках и литых деталях требованиям ТУ и чертежа.

4.2. Горячее пластическое деформирование.

4.2.1. Горячее гидравлическое выдавливание.

Заготовки шестерен с зубом ( черт. № 53212 - 2403055 ) изготавливались на

кривошипном прессе К 2130 путем горячего гидродинамического выдавливания

квазяжидхимв средами цилиндрических заготовок, полученных методом

полунепрерывного литья из ЧШГ следующего состава ( масс.% ): 3,35 С, 2,6 51, 0,56 Мп,

0,01 Б, 0,04 Р, 0,63 №, 0,58 Си, 0,058 М&. Обеспечивалась степень обжэтня Е = 80 %.

Получепные выдавливанием заготовки немедленно после деформации при температуре це

I

менее 850 С помещали в свинцовую вашу ( ^ = 350 С, Ти = 2.ч). Образцы для определения механических свойств вырезались непосредственно из тела заготовки и подвергались изотермической закалке вместе с заготовками. Подучены следующие свойства ЧШГ в заготовках шестерен после изотермической закатай: Ов — 1048 Мпа, О0 2 = 873 Мпа, д = 3.8%, Н^ = 411. Заготовки н готовые шестерни полностью отвечали требованиям ТУ и чертежа.

4.2.2 Получение заготовок шестерен в режиме сверхаластичвосга. При получении заготовок шестерен маслонасоса н заднего мост использовался вариант закрытой аггамповхя. Применение составной конструкции пуансона я матрицы -обеспечило возможность замены фомообразующих вставок только в облает зубчатого венца и тем самым получение штамповок с зубом для шестерен маслонасоса.

л

'laiwroiiiui шестерен ширеиались под нпампонку до температуры 850...1000° С в ici L'ont' 1.5...2 ч. Усилие пггампонкн составлял» 850... 1400 тс. Дчани штампа из стали 5XFIM устанавливались л иютсрмичсском Ш1ш!и«ш блоке УИШЬ - 610. Штамп нагревался до температуры 350..,450° С!. Скорость перемещении траверсы составляла 0.5...1.5 мм/с. Форма и размеры полученных штамповок шестерен соответствовали требованиям чертежа, внутренние и наружные дефекты отсутствовали.

Разработанная технология получения нггамповок шестерен ит ЧШГ максимajff.no приближена к существующему технологическому процессу изготовления шестерен из стали 20ХПШТА.

Механические свойства исходного ЧШГ определяли но результатам испытания образков, вырезанных аз стандартных клиновых заготовок, деформированною ЧШГ - по результатам испытания образцов, вырезанных из заготовок шестерен заднего моста н подвергнутых соответствующей термической обработке. В результате испытании получены следующие свойства ( Тд = 850 С, Та = 900 С, Та = 1,5 ч, Ти = 300 С, Т„ = 2 ч ): СГН = 1270 Мпа, Со.2 = 1 ПО Мпа, Ô = 5,2 %, 280НВ, KCII = 91,8 кДх/м2 5. Технология получения заготовок коленчатых валов.

В настоящее время на АО " КамАЗ " заготовки коленчатых валов типа 1 получают методом горячен штамповки из стали 42ХМФА ( 'ГУ 14-1-1296-75). Пределы иыносливоссти иа изгиб и кручение для них составляют 2Миз = 700...900 кг*м и Мкр = 800...900 кг*м. Датплг. прочностпые характеристики коленвалов обеспечивают надежную работу серийного двигателя. Вместе с тем, разработана модель двигателя, имеющего мощность почти в два раза большую, чем у серийной модели. Соответственно возрастают нагрузки и ва коленвал. Прочность его из стали 42ХМФА оказалась недостаточной. Одним из направлений повышения прочности коленвала явилась разработка опытной стали АЦ40Х2НМАФ с нитридным упрочнением. Применение этой стали должно было позволить увеличить усталостную прочность коленвала на 20...30 %. Учитывая сложпости освоения серийного производства новой стали металлургическими заводами, се сравнительно высокую стоимость, технологические особенности процессов ее пластического деформирования и термообработки, задача изготовления коленвала типа 2 из БЧШГ приобрела особую актуальность и значение ее положительного решения выходит за рамп интересов только "КамАЗа".

При выборе рациональных вариантов технологии получения отливок катепчлтого вала исходила из необходимости обеспечения комплекса требований, в частности: возможность регулирования скорости охлаждения отливки в форме,жесткости формы, скорости заполнения формах металлом, регенерации наполнителя, освобождения отливки от наполнителя в аустеаитаой области; обеспечение отсутствия отбела в тонких сечениях, размерной и весовой точности, чистота поверхности отливки, высокого выхода годного; наличие свободных производственных площадей на АО "КамАЗ" и вне его, использование существующих автоматических линий для механической обработки, экологичностъ процесса получения отливки.

Учитывая комплекс требований к вариантам технологии, наиболее приемлемыми вариантами оказались: для изготовления серийного коленвала ( тип 1 )- литье в песчано -глинистую форму иа Литейном заводе АО "КамАЗ", для коленвала форсированного

с

двигателя ( тип 2 ) - два варианта: а) литье с использованием вакуумпо - пленочной формовка ( ВПФ - процесс ), 6) липе по газифицируемым моделям ( ЛГМ - процесс ). С учетом предъявляемых требований колепзал типа 1 изготавливался ' с перлитной ( после поромализации ), а типа 2-е бешпгпзой ( после изотермической закалки ) структурой металлической основы..

5.1. Липе в пссчало-глнкистую форму. При разработке технологии получения колеавала тала 1 учитывалась возможность механической обработки заготовок на существующих автоматических линиях. ^>го, в свою очередь, предопределило идентичность формы и размеров литой заготовки и стальной штамповки и сложность обеспечения плотной отливки. Отливка из - за отсутствия внутренних полостей оказалась нетехвологичной. Эффективная конструкция литниково - питающей' системы была разработана с использованием пакета программ, созданного в рамках интегрированной системы автоматазировапцого проектирования литейной технологии (САПР) "ПОЛИКАСТ". Эта система, создаваемая из 'отдельных программных модулей, успешно внедряется на, Литейном заводе АО "КамАЗ". В данном случае были реализованы возможности модуля численного моделирования процессов затвердевания отливок из ЧШГ.. Исиодьэовался влшазляемыя в алектродуговых печах чугун базового состава (3,73-3,92% С, 2,15...2, 30% в!, 0,80-0,95% Мп, < 0,07% Сг,

<0,06% Р, < 0,01% в ), дополнительно легированный 1,1___1,18% Си и 0,54...0,70% №.

После механической обработки детали подвергались нормализации по режиму: нагрев до 900 С, выдержка 1 ч., затем - охлаждение па воздухе. Свойства нормализованного ЧШГ но результатам испытания образцов, вырезанных из заготовки коленчатого вала: ГГЬ=755...760 МПа, Оо,2=505-515 МПа, (5=3,2...3,6%, 235...265НВ.

5.2. Литье при использовании вакуумно-пленочной формовки и газифицируемых моделей . При разработке технология полутения отливок коленчатого вала с использованием ВПФ - прорцесса учитывались его специфические особенности:

• возможность в широких пределах регулировать скорость охлаждения отливки в форме, в том числе обеспечивая формирование исходной ферритной структуры матрицы. Феррнтазащш литой структуры улучшает обрабатываемость щливок, позволяет сократить длительность процесса аустснизации при проведении нормализации или изотермической закатки, повысить равномерность распределения элементов в аустештте и, ках следствие, шмот енность конечных структур; принципиальная возможность использовать температурную область существования ауетенита при охлаждении отливки в форме для реализации процессов нормализации или изотермической закалки за счет освобождения отливки от наполнителя формы на любом этапе ее затвердевания и охлаждения;

• сокращение расхода и простота регенерации формовочных материалов, исключение из состава смесей связующего;

• улучшение санитарно-ицисничсеких условий труда, уменьшение загрязненное™ " окружающей среды.

Ч\1ум, выплавленный н нндуьциоппом улекзропечи, модифицировался в кошне \ЧМ^-Сс лигатурой с добавлением ФС 75. Состав модифицированною ЧШГ ( млес.% ): ЗА..3,8 С, 2,1 ...2,4 .41, 0,43...0,48 Мп, 1,0... 1,2 №, 0,7-0.91 Си, 0,22-0,28 Мо, 0,02 X, 0,05- I', 0,1

2,1...2,4 в», 0,43.-0,48 Мл, 1,0...1,2 0,7.-0,91 Си, 0,22...0,?8 Мо, 0,02 в, 0,05 Р, 0,1 Сг. Компьютерное моделирование процесса формирования структуры и свойств ЧШГ в отливке, проверка и подтверждение результатов в процессе проведения натурных аксперимеитов и отработки технологии позволили получить бездефектные отливки коленчатого вала, максимально приближенные к конфигурация и размерам готовой детали. Коленчатые валы подвергал«, изотермической закалке (1а = 900 С, Га = 1ч., (и = 350 С, Ги= 1,5 ч.). Свойства ЧШГ после термообработки: <7Ь = 1210 МПа, <Т0 2 = 1065 Мпа, 6 = 8,0 %, КС = 590 кДж/мг, ЗЗОНВ. Полученные отливки полностью отвечали требованиям чертежа.

Учитывая сложность конфигурации, разностенность и протяженность отливка коленчатого вала, был проведен дополнительный технико-экономический анализ двух разновидностей литья по газифицируемым моделям - традиционного Л1 М-процесса и его разновидности - способа литья по газифицируемым моделям под регулируемым высоким давлением, разработанного в ИПЛ НАНУ. Он позволяет с постоянной скоростью заполнять металлом полость формы переменного сечепия , повысить выход годного до 80%, обеспечить равномерность потребительских свойств материала коленчатого пала в различных сечениях отливки. Для исследования гидродно амнч еских осбсниостей . заполнения формы при получении отливки коленчатого вала, имеющей 16 попеременно-чередующихся сечений, была реализована серия вычислительных экспериментов по специально разработанной программе. При этом в широких пределах варьировались такие технолошчсские параметры как температура заливки, скорость подъема металла в форме, газопроницаемость формы и покрытия, плотность модели, разряжение в форме, давление на жидкий и кристаллизующийся металл, Серия натурных экспериментов подтвердила достоверность вычислительных экспериментов и позволила оптимизировать основные технологические параметры процесса получения отливки коленчатого вала.

При получении опытной партии коленчатых валов чугун влектропечной плавки модифицировался в ковше модификатором ФС.Мг и имел после модифицирования следующий химический состав ( иасе.% ): 3,65...3.85 С, 2,20...2,52 81, 0,38...0,45 Мп, 1,12...1.1.8 N.. 0,61...0,72 Си, 0,25...0,29 Мо, 0,05...0,08 Мр, < 0,02 Я, < 0,05 Р, < 0,1 Сг. Обратцы для механических испытаний изготавливались из спепиат.но заливаемых одновременно с отливкой литых заготовок, в которых обеспечивалась скорость кристаллтзации, идентичная скорости кристаллизации чугуна п области шеек коиснч.ттго вала, а также непосредственно ит тела отливки. После изотертгческой закачки ЧШГ имел следующие свойства: (Т\, = 1240 МИа, Од 2 =1110 МНа. д = 6,9 %, КС - 610 кДж/м", 345ПВ. Отливки полностью соответствовали требованиям чертежа.

Применение БЧШГ перспективно при изготовлении самых ра.'иы.ч от.шнок ответственного назначения , в частности ремонтного лить». 11а основании проведенных исследовании и пришлых технолошческих решений организовано истирал!юнаннос производство ремонтного литья. В результате работи, выношенной совместно с ИТПЛишром, выявлена реальная потребность Северо - Западного региона в этом виде липл п разработаны рекомендации но орини тации специализированных прошшыств.

6. Результаты испытаний и тсхнпко 'экономическое обоснование принятых решений.

Испытания коленчатых валов иа изгиб и кручеппе проводились па специальных стендах и продолжались до разрушения детали или наработки базового ( 107) числа циклов. Результаты стендовых испытаний показали, что по работоспособности литые коленчатые валы удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Испытания шестерен главной передачи заднего ведущего моста автомобиля КамАЗ, собранного с коническими шестернями, шгхтшленнымн из БЧШГ и деформированного ЧШГ, подвергнутого изотермической закалке, также проводились на специальных стеддах. По результатам испытаний иа статическую прочность установлено, что литые шестерни не являются слабым звеном. При нагружеши на переднем ходу разрушилась полуось в зоне шлицов, прн нагружешш для заднего хода разрушились скалом зубья сателлитов МКД. Результаты испытаний на контактную прочность свидетельствуют о хороших прсгшвошптвш оных свойствах ках. литых, так и деформированных шестерен из БЧШГ, но изгибно - усталостной прочности оен не уступают штампованным из стали.

На основании стендовых и предгартггелышх ходовых испытаний принято решение о выпуске в 1995 году 5000 двигателей с колесвалами из БЧШГ и 1000 задних мостов с нкгстершши четырех наамсвованкн из БЧШГ.

Прн расчете экономической зффектиБНОсти от замены стальных штампованных заготозок шестерен и коленчатых валов на литые из ЧШГ и БЧШГ исходили из равенства ресурса двигателя и силовой передачи прн базовом и разработанных вариантах технологии.

Методика расчета приводится на пркиере расчета Б&ономическоп аффекгаваосга от внедрения литой ведущей шестерки заднего моста ( черт. № 5320-2402017 ) из БЧШГ вместо пггамдомшгоя из стала. Расход ыеталяа ы трудоемкость изготовления одной детали по двум вариантам приведены в табл. 9.

Таблица 9

№№ п/ц Показатели Вариааты технологии

Стать 20ХГНМТА, вггаагыоека БЧШГ, отливка

1 Масса затотоскв, кг 9.00 5.98

2 Масса детали, кг , 4.05 3.74

3 КИМ заготовки 0.45 0.63

4 Масса исталда, уходящего в стружку, кг 4.95 2.24

5 Трудоемкость механической обработка, и/ч, в том числе: 15.48 12.38

5.1 токгряоё 2.01 1.61

5.2 туборезтюд 3.41 2.73

5.3 шщгфеаальяой 3.56 2.85

5.4 слесарной 5.57 4.46

5.5 прочих 0.93 0.73

б Труяэеисостк терио- 1.36 0.6Я

обработки, н/ч, п том числе:

6.1 закалка 0.41 0.41

6.2 цементация 0.54

6.3 отпуск, зачистка 0.41 0.27

Цепа 1т штамповок из стали 20X1НМТА и цена 1т отливок из ЧШГ, легированного №,Си и Мо, в современных условиях сопоставимы и приняты равными 1 млн. рублей. Расчет заводской себестоимости и згото влепил шестерни приведен в табл. 10, снижения себестоимости - в табл. 11

Таблица 10

№№ пЫ Показатели Варианты технологии

Сталь 20ХГНМТА, штамповка БЧШГ, отливка

1 Себестоимость механической обработки, руб, в том числе 71120 56896

1.1 токарная 9246 7396

1.2 зуборезная 15646 12517

1.3 шшфсшшш 16358 13086

1.4 слесарная 25603 20483

1.5 прочие 4267 3414

2 Себестоимость термообработки, руб, в том числе 4313 2157

2.1 цементация 1725

2.2 закалка 1294 1294

2.3 отпуск, зачистка 1294 863

3 ИТОГО: заводская себестоимость механической и термической обработай одной детали 75433 59053

Таблица 11

№№ п/п Показатели Значения

1 Экономия металла на заготовках (до механической обработки ), кг 3.02

2 Экономия металла, уходящего в стружку, в процессе механической обработка, кг 2.71

3 f Суммарная эхояомия металла, кг' / руб 1 5.91/59)0 !

: 4 | Сшгжение трудоемкости изютоалетт. iь'ч 3.78 |

5 f С::лжсшге себестоимости механической обгаЗотки, pv6 14224 |

6 | Снижение себестоимости термической обработки, руб 2156 j

7 1 ИТОГО, руб 22290

При годовой программе Еьагуска автомобиля "КамАЗ" 20 ткс. сггук суммарная акономия по 4 назменоватим шестерен заднего моста ( черт. №Ns 5320-2402017, 5320-2402060, 5320-2402110-10, 5320-2402120-10 ) составит :

( 2 290 + 13 302 + 25 192 + 17 860 ) г. 20 000 = 1 572 880 000 руб Затраты на НИР составили 110 мли. руб. На подготогзу массового проктасистга потребуется загграппь пе менее 500 млн. руб.

С учетом затрат на ПИР и подготовку производства ьсономия составит: 1 572 850 ООО - 600 С00 000 =972 880 ООО руб

Окупаемость едкновремешплх затрат :

600 000 000

------------------= о.б года

972 SSO ООО

Экономия металлопроката 625.8 т/г

Спижепие трудоемкости изготовления 223 000 н/ч/г

Экономический зффехт от Eueapenus в практику производства отливок из БЧШГ для ремонтеых нужд сосгаалл ( в цепах 1992 года ) более 12 млн. рублей. Массовое производство коленчатых валов в гнсстерсн ш ЧШГ и БЧШГ вместо штамповок из легированных сталей позволяет, в частиоет. сшоать ик себестоимость в 2,3.-2,5 саза S, Осасиаые ¡.¿¿¡»ни i,'a г^Соге.

1.Псг!Ы|Делие эхсялуаггаииошксь iiiueaaiocra и ;; i:ihda cnucoiit.i>cra да кпровим puuae большегрузных гтолобялЫ, выпуяжмъп. АО "КамАЗ", потребовало разработки п ьлгдрепяя иовт^ввцюааик i txtspazes, сисабяв зтяшъ псполь,>уемые при язготоалеини штамцовох Ексока,-.ешрозаы»,;е стали, и тезшаяоган получения аз ¡¡их тажеленагруженвых деталей, в «sacniocra хагенчатых гаалоз а шестерен. Таким матерзалои может быть высокопрочный чугуга с шгровадвым графтгем (ЧШГ). Однахо урэаеш» свойств, о5ссаеча®»еш>«й в отлио*.».:;' ш ЧШГ, получаемых при их иассоаш проаззедстве ка Лзтеллом заводе АО, не отвечает этим требованиям.

2. Задача разработки и шеасрения ЧШГ для тысогоаагружеиикх деталей грузового автомобиля гыыщзт за р^ыгы - догаресс» отдельно; ь предприятия и отрасли азтсмобплестросния н потребовала нпицаацва федеральной програмьи* с привлечение»! не только подразделений АО "КамАЗ', so и и^редозых ¡гауч::о - ссакасгательсии ергйякзавдщ Рос спя н стран СНГ.

3. Наиболее нерспе&тхвным дай ухазишых кеяш яктяетез ЧШГ беыштаого класса (БЧШГ), который в штровон грзютаг in^raio HCLinjikTvtnc;, лишь в лгаьшюи азтомобзшгетроевшз. В росии в стравях СНГ тают праезодстез отливок. из БЧШГ отсутствует.

4. Результаты игкгаеяегиых исследований и полученные в виде систем регрсссясшшх урззашхЗ математнчесгяс модели позжхлаяя обосновать выбор метода модяфицирозанвя, ептгкязярокать составы сферояднзнруюпшх и грзфзтширунидах кодифюгтореэ в заетеамоета от скорости охлаждения отявташ в форме н требований к структуре п сзойсгогм ЧШГ в сгпззздх.

5. Выявленные згкономериоста яшяпга химического состава чугуна и скорости охлаждения циляш н в форме обеспечили возможность оптимизации этих параметров для получения необходимой структуры н механических свойств ЧШГ в литом н нормализованном состапшях.

6. Разработанная гагаметизяравзнныя многоточечный измерительный комплекс, методика его рспояиовшш. для дифференциального термического анализа и пакет прикладных программ для обработан результатов нзмереяна позволяют контролнрозатъ и прогнозировать структуру ЧШГ в отлнвках в зависимости от предложенных критериев оценки реальных скоростей охлаждения чугуна а различных частях отливки.

7. Сравнительные неследсвгпия комплекса механических свойств ЧШГ перлитного и бейнятиого классов показали, что по статической и усталостной прочности, демпфирующей способности н чувствительности к концентраторам напряжений бейнятеые чугуаы превосходят чутуяы перлитного класса, однако реализация потенциальных возможностей этого материала возможна только при успешном решения комплекса вопросов, связанных с исследованием влияния химического состава а режимов изотермической закатай на структуру и свойства БЧТ1ГГ.

8. Проведенные иселедовгиня и разработанные матемаглчесжие модели позволили оптимязироватъ параметры процесса получения Б ЧШГ с заданным уровнем механиеских свойств н износостойкости, обеспечившим возможность его применения при пзготоялепЕи литых коленчатых валов а шестерен. Выявлены условия, при которых структура исходного ЧШГ %£пнчесяи не кямет ка своясгаа БЧШГ, что позволяет вря получгниз оъчбвок из БЧШГ пспояьзсзгть базогые варианты технологии получения ЧШГ.

9. Прзмеггеяке устгяовг* гтеяяс&зшшзгго елся игесто ссввшых вгпн ве только позволяет решить оакгеные. гжояогвчесхие. проблемы, ззазаикгхяпие при нспользоваиии расшггзоз содей, но н обеспечить требуемый уровень езойств БЧШГ. Результата« прозедепных исследований позволили разработать технические услозия на проектирование н изготовление полупромышленной установки пседцоккшнцего слоя для изотермической згхаякл ЧШГ.

10. Оптимизация химического состава н режимов изотермической закалки ЧШГ поззоляла полутать чутуны с урстсм своя ста, обеспечившим ях прямепате вместо сталей 42ХМФА я ЛЦ40Х2НМАФ для коленчатого вала, соответственно, серийного (тип 1) и форсированного (тал 2) дазгателя н вместо стали 20ХГНМТА для шестерен.

11. Горячее пл?.сгнчесз.сге дефоретрогет^е ЧШГ, ухуяпкз форму гргфзта, со измельчая н упрочняя металлзческуго основу, в конечном итоге обеспечивает повыптеяие механических свойств чугуна. Выявлсянпе закономерности влияния режимов горячего пластического деформпроюткя пр1Г использовании юешпкидхих сред, деформационно -термической обработка в условиях реализации сверхпластичност, а также при прокатхе

позволяли предложить технолошчгские решения, обеспечившие получение шестерен из деформированного и подвергнутого изотермической закалке по оптимизированным режимам чугуна.

12. С учетом разработанного комплекса критериев, определяющих сыбор метода ызготоглеття литейной формы кра получении отливок коленчатых валов, литые коленчатые валы типа 1 были получены из нормализованного перлитного Ч1ПГ при литье в песчано - глинистые формы иа Литейном завозе АО "КамАЗ", тнна 2 - из беннитаого ЧШГ при изготовлении формы по ВПФ - и ЛГМ - процессам.

13. Результаты проведенных стендовых испытаний литых коленчатых • валов на усталостную прочность при изгвбе и кручении и шестерен из БЧШГ и ДБЧШГ на статическую, контактную н нзгвбно - усталостную прочность показали, что они удовлетворяют предъявляемым требованиям. На основании этих и предварительных ходовых испытаний пришло решение о выпуске в 1995 году 5000 двигателей с колеттваламн из БЧШГ и 1000 задних мостов с шестернями из БЧШГ.

14. На основании результатов проведенных исследований и принятых технологических решений организовано централизованное изготовление ремонтного литья из БЧШГ. В результате работы по обследованию предприятий Сапкт - Петербурга выявлена потребность региона в этом виде литья ■ разработаны рекомендации по организации специализированных производств.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1 .Шебатинов М.П., Абрамепко Ю.Е., Бех ПЛ. Высокопрочный чугун в автомобилестроении.-М.:Млшипосгроепие. 1988.-216с.

2.Бех НЛ., Тананнн АЛ., Веагер В.В., Храмченков АЛ., Литовка B.II. Разработка технологии и освоение производства высокопрочпого чугуна на литейном заводе КамАЗа // Литейное производство, 1983, N4, с 12...13. -

3.Храмчепков А-И.ДЬшдг ВЛ., Бех НЛ., Корниенко ЭЛ., Мельев В.А., Петрунько В .Я. Производство чугуна с тароввдным графвтом для деталей ходоаон часта автомобиля // Автомобильная промышленность,1983, N9, с.23-24.

4.Бех Н.И. Эффективность применения отливок из высокопрочного чугуна в болыпегрузиых автомобилях // Лятейиое производство, 1991, N7, с. 1-3.

5Литозка В.И., Бех НЛ, Бикернаек ВЛ, Крамаренко О^О., Яковлев АЛ. Динамическая прочность высокопрочного чугуна для деталей автомобиля //Автомобильная промышленность, 1981, N9, с.27-29.

бЛнтовка ВЛ., Бубликов BJ5., Бех Н.И., Казахов М.Ф., Иванов А.М. Оптимизация содержания никеля н меда - в высокопрочном чугуне II Сб.трудав 1-й всесоюзной конференции"Научш>технияеское сотрудничество" Предприятие - ВУЗ" / на примере автомобильной промышленности." М.: МГУ, 1980, с.161-162.

7,Шебагганов МЛ., Коваленко В.М., Бех НЛ. Получаше бейшгшого высокопрочного чугуна И Тракторы и сельхозмашины.1986Л7.с.52-55.

8 .Бех НЛ., Венгер В Л, Литовка В Л., Сахарцеза ИЛ. Технико-экономическая эффективность ВЧ для грузовых автомобилей II Материалы XI НТК "Кристаллизация и свойства высокопрочного чугуна в сличив»," Киев.; 1989.

9.А.С. 1285007 (СССР). Способ получения высокопрочного чугуна / Б.И., 1987, N3. Соавторы: Литовка В Л., Абросимов В.П. и др./.

10А.С. 1546511. Чутуп / Б.И.,1989 N8. Соавторы: ЛитовхлВ.И. Венгер В.В. и др./.

11.Bekh N., Litovka V. П\е mas» production tehnology of the automobile castings of high-strong cast iron.// Metal and castings of Ukraine. 1994, N2, p. 14-18.

12. Литовка В.И., Тарасевич Н.И., Бех Н.И., Костиков ГА. Влияние комплексных лигатур ва структуру и свойства высокопрочного чугуна. // Процессы литья, 1994,N1, с.47-53.

13Литовка В.И.,Бех Н.И., Шинский О.И., Косников Г.А. Усталостная прочность и разрушение чугуна с шаровидным графитом. // Литейное производство,1994, N6, с 3-8.

14.Бех Н.И. Перспективы применения бейшггного высокопрочного чугуна в автомобилестроении // Лнтенноепронзводспю, 1993,N8, с.2-3.

15Литовка ВЛ., Бех Н.И., Тарасевич НЛ., Шинский О.Н., Косников Г.А. Структура н свойства легированного высокопрочного чугуна в отливках // Литейное производство, 1994, N 8, е.16-19

16Литовка В.И., Бех Н.И., ПТяжчий О.Н., Тарасевич О.И., Яковлев А.П., Косников Г.А. Влияние состава в структуры на статические, усталостные и демпфирующие свойства высокопрочного чугуна. // Проблемы прочности, 1995, N 7, с.14 - 17 (в печати).

17.Бех П.И., Снежко АЛ, Шумихин B.C., Покровский А.И. Влияние пластической деформации на структуру и механические свойства высокопрочного чугун ai/ Литейное производство, 1993, N12, с.4-7.

18.Бех НЛ., Раздобарнн ИХ., Снежко А-А., ГригорчукВЛ. Влияние состава иодифицнрующе-ланруяяцах смесей iu структуру и свойства высокопрочного чугуна при различных скоростях охлаждеиия //Металл и литье Украины, 1994 N9-10, с.28 - 31

19ЛИииссий О.И., Бех НЛ., Злубко НА., Валшула А.И. Особенности заполнения формы переменного сечения и ее газовый режим при литье по газифицируемым моделям. // Процессы литья, 1994, № 11.- 12, с. 17 - 19.

20.Шинсхни О.И., Бех Н.И., Шинский О.И. Технологический процесс получения литых заготовок коленвалов автомобиля КАМАЗ по газифицируемым моделям с кристаллизацией металла под давлением // Металл и литье Украины, 1994, N 11, с. 12 -15

21.Беляков АЛ., Александров H.H., Бех ПЛ., Косников ГА., Морозова Л.М., Мусаева ИЗ. Влияние состава и термообработки на свойства аустетгто-бейтлгтпых чугунов // Литейное производство, 1994, N 4, с. 2-5.

22Т5ех НЛ., Срыбник А.И., Щеглюк НЛ. Аустенитно-бейнитные чугуны -перспективный материал для тяжелонагруженных деталей. // Сб. Отечественная н зарубежная военная техника. СПб: ЦНИИМ, 1994, № 1 (157), с.20 - 25.

23.Бех НЛ., Косников Г.А., Морозова Л.М. Влияние прокат на структуру и механические свойства высокопрочного чугуна // Литейные материалы, технология и оборудование. СПб: ЦНИИМ, 1995, вып. 1, с.7 - 9

24.Косяиков ГА., Бех Н.И., Морозова ЛМ. Оценка и прогнозирование структуры и свойств высокопрочного чугуна// Литейные материалы, технология я оборудование. СПб: ЦНИИМ, 1995, вып. 1, с. 10.ЛЗ.

25.Бех Н.И. Изготовление тяжел онагруженных деталей грузового автомобиля из высокопрочного чугуна // Литейное производство, 1994, N10, с. 11 - 14.

26.Голод В.М., Ишхавов А.Е., Тихомиров МД., Сабиров А.Х., Фролов М.М., Морозов Б.М., СивкоВ-И-, БехШН. Интегрированные САПР литейной технологии "РОЦУСАЗТ"литейного завода АО "КамАЗ". // Литейное производство, 1994, N10, с.44 --.47

27.Бех Н.И., Салигцев Г.А., Валгггов В.А., Мухтаров ШЛ. Разработка технологических режимов пггамповкн шестерен из высокопрочного чугуна II Кузнечно - прессовое производство, 1995, № 1, с, 2 - .5

28.Бех Н.И., Косяшков ГЛ., Морозова Л.М. Влияние охлаждающей среды на механические свойст*а бешштиого высокопрочного чугуна II Литейные материалы, технология а оборудование. СПб: ЩШИМ, 1995, вып. 1, с. 13 - 15 29Бех Н.И. Наука выживания II Литейное производство, 1994, № 10. - 11, с.2 - 5 30.Бех Н.И., Волкомич А.А.Д1адсобляев СЛ., Якобсоиг АЛ. АО "Литаформ". Задачи, работы, перспективы // Литейное производство, 1995, № 10 - 11, с.30 - 34

Подписано к печати 28.04.95, Заказ № 227 ГК Тираж 100. Бесплатно. Отпечатано в типографии АО «КАМАЗ». 423808, г. Набережные Челны, ул. Мусы Джалиля, 29.