автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Технология производства отливок коленчатых валов из чугуна с шаровидным графитом по газифицируемым моделям для легковых автомобилей

Pf б НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - 8 ОПТ «30 МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

УДК 62f .746.045.072.2:669.131.7:629.113 На правах рукописи

БРЫНЗЕА Н. Кристиан Мирна (Румыния)

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ИЗ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ ДЛЯ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

специальность 05.16.04 - литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1996

Диссертация на нравах рукописи

Работа выполнена в Физико-технологическом институте металлов и сплавов HAH Украины

Научные руководители:

кандидат технических наук, Шииский Олег Иосифович доктор технических наук, старший научный сотрудник Чсрновол Аркадий Васильевич Научный консультант:

кандидат технических наук, Косняну Константин (Румыния)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Затуловский Сергей Семенович; кандидат технических наук Гнатуш Виталий Аполлонович

Ведущая организация - АК "АДВИС"

Защита состоится " с) " 1996 года в /б часов

на заседании специализированного ученого совета Д 01.97.01 Физико-технологического института металлов и сплавов HAH Украины.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технологического института металлов и сплавов HAH Украины но адресу г. Киев, пр. Вернадского 34/1

Автореферат разослан " ^ " CCiLi'U]^ 1996 г.

v

Ученый секретарь специализированного ученого совета Д 01.97.01 доктор технических наук Афтандилянн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Отливка коленчатого вала является одной из наиболее ответственных деталей двигателей автомобилей. Исходя из условий эксплуатации, колеивалы должны обладать высокими и стабильными показателями физико-механических и служебных свойств, иметь высокую размерную точность при отсутствии любых дефектов, опасных для эксплуатации литых изделий. В специально» технической литературе неоднократно указывалось на целесообразность применения чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) для изготовления колениалов двигателей автомобилей.

Анализ современных тенденций развития легкового автомобилестроения показал, что наибольшее распространение имеют автомобили с четырехцилиндровыми двигателями. Конструкция литых коленчатых валов многих автомобилей не имеют существенных различий, как но конфигурации, так и по весу отливки. В качестве примера можно провести: "Peugeot", "Renault" (Франция), "Fiat" (Италия), "Дачия" (Румыния), "Жигули" всех модификаций завода ВАЗ (Россия). В связи с этим требования к свойствам и структуре ЧШГ в отливках колениалов практически идентичны.

Традиционные способы получения отливок коленвалов с применением извлекаемых моделей не всегда обеспечивают высокий уровень точности, необходимого качества поверхности, снижение массы и себестоимости деталей. Для получения точных отливок коленвалов предпочтительно использовать способ литья по газифицируемым моделям в вакуумируемых формах (ЛГМ- процесс). Все более широкое применение этого способа обусловлено малоотходным технологическим процессом получения отливок повышенной точности при снижении энергетических, материальных, капитальных затрат и увеличении выхода годного. Сравнительный анализ технико-экономических показателей разных способов литья и ЛГМ-процесса показал, что применение последнего позволяет снизить себестоимость литых деталей из чугуна на 15-30% по сравнению с литьем в песчаные формы, на 20-30% по сравнению с литьем в облицованные кокили и на 30-45% по сравнению с литьем в оболочковые формы.

Это послужило основанием для проведения комплекса исследований по разработке технологии получения отливок

коленчатых палов из ЧШГ но газифицируемым моделям для легковых автомобилей.

Цель работы и задачи исследования. Целыо настоящей работы является разработка и внедрение универсального технологического процесса получения отливок коленчатых валов легковых автомобилей с четырехцилиндровыми двигателями из ЧШГ при ЛГМ-нроцессс. Для этого класса двигателей коленчатые валы из ЧШГ должны отвечать следующим требованиям: 1. по структуре металлической основы -перлит > 75%, феррит < 25%, цементит < 2%; 2. по характеристике графитной составляющей - количество включений графита N > 70 шт/мм2, диаметр включений графита Граз < 60 мкм; 3. по свойствам - стп >750МПа, сго,2> 450МПа, 8 > 3 %, НВ=241-269, предел выносливости коленвала на испытательном стенде более 2-10° циклов.

В соответствии с указанной целыо в работе поставлены н решены следующие основные задачи:

- определены гидродинамические параметры заполнения формы при ЛГМ-процессе (скорость подъема металла в форме и время ее заполнения);

- установлены закономерности движения металла в каналах литниковой системы (ЛС) и в форме с газифицируемой моделью;

усовершенствована физико-математическая модель ЛГМ-процесса;

- методами физического моделирования изучено влияние литейных фильтров на режим течения расплава в каналах ЛС и процесс заполнения вакуумируемых форм;

- получены данные о влиянии основных технологических параметров ЛГМ-ироцесса на показатели качества отливки коленвала;

- изучено влияние температурных режимов обработки расплава чугуна, комплексного легирования, инокулирования и термической обработки на формирование структуры, физико-механических и служебных свойств отливок коленвалов;

- получены количественные зависимости структурных характеристик и механических свойств от степени легирования чугуна в литом состоянии и после нормализации;

- разработаны методика оптимизации и инженерные методы расчета технологических параметров процесса получения отливок коленчатых валов из ЧШГ при ЛГМ-процессе.

Научная новизна. На основании законов течения жидкостей выведены математические зависимости для расчета скорости подъема

металла в форме и времени ее заполнения, которые являюгея )сиош1Ыми характеристиками гидродинамики движения расплава в штейной форме с газифицируемой моделью, зависящими от геометрии оливки, типа и параметров ЛС, давления парогазовой фазы в зазоре чежду моделью и расплавом.

Уточнена с учетом типа и параметров ЛС физико-математическая чодель ЛГМ-нроцесса, позволяющая рассчитать основные показатели газогидродинамики заполнения формы, прогнозировать качество отливки и управлять заполнением формы с целью устранения дефектов отливки, связанных с термодеструкциен газифицируемой модели.

Методом физического моделирования установлено влияние различных видов литейных фильтров на режим течения расплава и каналах ЛС и на процесс заполнения вакуумируемой формы с газифицируемой моделью (ГМ).

На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований установлено комплексное влияние модифицирования, вторичного модифицирования и термической обработки па формирование первичной и вторичной структуры, обеспечивающей получение регламентированных свойств в литом коленвалс.

П ракти чес кая 311 ачи мость. Полученные экспериментальные зависимости и математические модели влияния основных параметров ЛГМ-нроцесса на показатели качества отливки, а также влияния степени легирования на структуру, физико-механические и служебные свойства могут быть использованы при выборе технологических параметров производства отливок коленчатых валов данного класса двигателей при ЛГМ-процессе.

Результаты исследования влияния температурных режимов перегрева, модифицирования, инокулироваиия и заливки на формирование структуры и механических свойств ЧШГ, позволяют оптимизировать технологические параметры при получении отливок коленчатых валов при ЛГМ-процессе..

На основании проведенного комплексного исследования разработана универсальная технология получения качественных отливок коленчатых валов из ЧШГ для легковых автомобилей с использованием ЛГМ-нроцесса. Внедрение этой технологии для производства коленвалоп легковых автомобилей румынского производства "ДАЧИЯ" на заводе "АЛФОР" (Румыния) взамен литья в песчаные формы на линии "Дисаматик", позволило снизить Я -в-ъэк

себестоимость одной отливки на 5,60 $ США, и достичь экономического эффекта в размере 414 $ США/1т годного литья.

На защиту выносятся:

- зависимости для определения гидродинамических параметров заполнения формы металлом при ЛГМ-процессс: скорость подъема металла и время заполнения формы, как функции от геометрии отливки, тина, параметров ЛС и давления парогазовой фазы в зазоре "металл-модель".

- усовершенствованная физико-математическая модель ЛГМ-процесса, которая учитывает тины и параметры ЛС, скорость подъема металла и время заполнения формы.

- экспериментальные зависимости и математические модели влияния основных параметров ЛГМ-ироцссса на показатели качества отливки коленвала, а также влияния степени легирования марганцем, медью, никелем и молибденом па структуру, физико-механические и служебные свойства коленвала при ЛГМ-процессс.

- результаты исследований влияния температурных режимов перегрева расплава, модифицирования, инокулнрования и заливки на структуру и механические свойства ЧШГ.

- методика оптимизации и расчета основных технологических параметров, обеспечивающих получение высококачественных отливок коленчатых валов из ЧШГ по газифицируемым моделям дли легковых автомобилей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции "Новые технологии и маркетинг в литейном производстве" (г. Киев, 1995г.), международной конференции "II-nd Romanian National Metallurgical Conference" (Bucharest, 1995г.), научных семинарах Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 134 наименовании, приложений и содержит 242 страниц машинописного текста, 55 рисунков и 32 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Методика исследований. В качестие об!>екта исследований был выбран литой коленчатый вал массой 13,5 кг для четырехцнлиндрового двигателя.

Качество отливки, которое определяется взаимодействием металла с продуктами термодеструкции ГМ, оценивали но качеству поверхности отливки коленвала, как наиболее характерной и чувствительной к нарушению технологии ЛГМ-нроцесса. При этом критериями качества поверхности отливки коленвала выбраны площадь, пораженная дефектами Б,, и глубина проникновения дефектов Д„. Площадь Б,, определяли точечным методом и относили ко всей площади верхней поверхности противовеса Яц, а глубину проникновения дефектов Д„ определяли методом сострагивания верхней плоскости противовеса с глубиной прохода 0,1-4 мм но всей толщине.

Исследование влияния основных факторов ЛГМ-нроцесса (температура заливки Т:), плотность модель Р5 и средняя скорость подъема металла в форме w1) на показатели качества поверхности Б,, и А„ проводили в соответствии с методом планирования экстремальных экспериментов второго порядка. Измерение скорости V/, производилось автоматизированной системой контроля (АСК) с использованием злектроконтактов, установленных в моделях перед покраской.

При получении ответственных отливок, таких как коленвал, необходимо применять эффективные средства, способствующие снижению количества неметаллических включений различной природы. Для этой цели применяли керамические фильтры с прямолинейными каналами и фильтры из вспененной керамики. Влияние фильтров на режим течения расплава в каналах ЛС оценивалось величиной коэффициента сопротивления фи чьтра £,ф, определяемого но перепаду давления в ЛС до и после фильтра.

Влияние фильтров на процесс заполнения вакуумируемых форм через ЛС с литейным фильтром изучали методами

физического моделирования на специальном стенде, работающем но принципу замкнутой циркуляции. Определяющими критериями подобия были выбраны критерии Фруда (Рг) и Эйлера (Ей) при соблюдении автомодельности критерия Рейпольдса (Не).

Для проведения серии экспериментов использовали базовые сплавы, содержащие мае. %: 3,5-3,7 С; 2,4-2,6 БП 5<0,015; Р<0,05;

Сг<0,1; 0,04-0,06 Mg. Изучение структуры и физико-мсханическиз свойств ЧШГ проводили как в шейках отливки коленвала, так и н; клиновидных пробах, в которых обеспечивались скорости охлажденш чугуна в интервале 0,07 - 0,12 °С/с, который соответствует условиял затвердевании Килениала в вакуумируемой форме с ГМ. Скороеп охлаждения определили по температурным кривым охлажденш чугунов в интервале от начала эвтектическою до завершенш эвтектондпого превращения. Испытание коленчатых валов н; усталость проводили 'на специальном стенде автомобильного завод; "ДАЧИЯ" (Румыния).

Исследование влияния легирующих элементов на структуру i свойства ЧШГ проводили как в литом состоянии, так и после термической обработки, в соответствии с методом планирование экстремальных экспериментов второго порядка. Параметрь варьирования для оптимизации структуры и свойств ЧШГ изучали i следующих интервалах, мае. %: 0,3-0,7 Мп; 0-1,5 Си; 0-1,5 Ni.

Do всех случаях в качестве сфероидизпрующего модификатор« применяли ФСМгЭ с содержанием Са (0,8%) и РЗМ (0,9%).

Влияние температурных режимов обработки расплава н; структуру и свойства чугуна изучали в следующих интервалах перегрев - Т„= 1540-1580 °С; модифицирование Тм= 1490-1530 °С шшкулирование Т„= 1410-1450 °С; заливка Т3= 1400-1440 °С, чте обусловлено необходимостью обеспечения температуры заливки характерной для получения качественных отливок из ЧШГ при ЛГМ процессе.

Влияние, вторичного модифицирования на структуру н свойств; чугуна изучали, используя в качестве ннокуляторов ферросилицш ФС75л и енликобарнй СБ25.

Термическую обработку в виде нормализации проводили ш режиму: нагрев до 900 °С (аустенитизация и науглераживанш матрицы), ш>|держка 3 часа и охлаждение на воздухе.

Математическая обработка результатов нланнрованш экстремальных экспериментов была выполнена на ПЭВМ IBM < использованием пакета программ но статистическому моделированию.

Га.югидродинамичсскис особенности ЛГМ-процссса при литы отливок переменного сечения. На основании анализа теченш расплавов на начальной стадии заливки форм было выведет математическое выражение, позволяющее классифицировать ЛС Kai запертые пли со свободным уровнем металла в стояке (незапертые)

/ л

X гм

Мс1

2 ' Б 4

с|

и

1 пит

2

(I)

где хгм- высота металла в стояке в начале заполнения полости формы с ГМ (а момент стабилизации течения), м; рС1- коэффициент расхода при течении металла из чаши стояка; цгм- коэффициент расхода ЛС при ЛГМ- процессе; Гс|- площадь сечения выпускного отверстия чаши, м2; Р,шт- площадь сечения питателя, м2; Ьс]- высота чаши, м.

Так, в случае, когда хгм<Н (где Н- высота стояка ЛС), то ЛС будет со свободным уровнем. Если х1М>Н, то ЛС будет запертой. Таким образом, классификация ЛС зависит не только от соотношения Рс) и Р|ШТ, но и от высоты литниковой чаши, стояка и потерь металлостагического напора.

На основании законов течения жидкостей выведены уравнения времени заполнения формы и скорости подъема металла в ней, которые являются основными характеристиками гидродинамики движения расплава в литейной форме с ГМ. Учитывая тин ЛС (рис.1), теоретическое время Заполнения формы высотой Ь до уровня Ь; в зависимости от начального (Н или х1м) и мгновенного напора (Н-Ь; или , а также мгновенной потери напора Ь,, из-за наличия

противодавления парогазовой фазы в зазоре "металл-модель" можно определить по формуле:

-^-Ь-.-ьД (2)

Мшт Нгм

где 1ц- уровень металла в полости формы, м; площадь сечения отливки (модели) на уровне м2; ускорение свободного падения, м/с2; 11п=Рф1/рмег-£, м; Рфр давление в зазоре между моделью и расплавом, Па; рмет- плотность расплава, кг/м^; Н*=Н в случае запертой ЛС; Н*=х; в случае незапертой ЛС; Х|- текущий уровень металла в стояке, который определяется согласно уравнению:

+ (3)

Мгиу) V '„и-, ) Р8

з-¿-гам

В таком случае, средняя скорость подъема металла па участке между уровнями 1 и ¡-1 составит:

Fm,T (hj ~ hj-l) • МГм '

Щ

{yßv - hri - д/н'-hri-hj)-(д/н'-h^;-^Н* - hrj_f -h~)

(4)

H

•cl

а)

Модель

__

|.dz 14

~~ —

w

\

F

пит

Модель»

: fy i t-

jdz

lhi,

б)

Рис.1 Схема определения скорости \\'] л времени ^ для запертой ЛС (а) и для ЛС со свободным уровнем металла в стояке (б).

Анализ уравнении (2) и (4) показывает, что tj н wjj определяются с учетом геометрии отливки посредством величин F5 и lij, характеристик ЛС (FI!HI, цгм, Н или xj), а также давления парогазовой фазы Рф-, в зазоре "металл-модель". Применение этих уравнений Позволяет определить время tj и скорость wjj для отливок со сложной конфигурацией.

Таким образом, известную физико-математическую модель ЛГМ-проиесса, разработанную в ФТИМС HAH Украины можно представить с учетом закономерностей движения металла в каналах ЛС и форме в начальной стадии заливки. На основании этой усовершенствованной модели ЛГМ- процесса, в ФТИМС HAH Украины создан пакет прикладных программ, позволяющих определить основные параметры заполнения формы любой конфигурации (давление в зазоре между моделью и расплавом, величину зазора и скорость подъема металла п форме), прогнозировать

качество отливки и управлять заполнением формы с целыо получения высококачественной отливки.

Для оценки достоверности созданной математической модели была поставлена серия натурных и вычислительных экспериментов с использованием ПЭВМ. Полученные данные показали, что относительная погрешность между расчетной и экспериментальной средней скоростью подъема металла в форме составляла 7-9 %. Таким образом, физико-математическая модель позволяет с достаточной точностью описать кинетику заполнения формы, на основании которого можно оптимизировать технологические параметры ЛГМ-процесса с целыо получения качественных отливок.

Созданная физико-математическая модель и пакет прикладных программ были использованы для анализа особенностей заполнения формы с ГМ для получения отливки коленвала, которая имеет сложную конфигурацию с двадцатью чередующимися сечениями на длине 440 мм. На рис. 2 представлена графическая интерпретация изменения скорости \У) по высоте отливки при выборе следующих значениях параметров ЛС: Н=0,73 м, Рпит=1,8-М"4 м2, Рс1=3,610"4 м2, цгм=0,36, рс1=0,95, а также температуре Та=1440 °С, плотности модели рз=27 кг/м3, разрежении Р„= 0,048 МПа, газопроницаемости формовочного материала К^=ИзО ед н покрытия К„=5 ед.

Анализ изменения по высоте отливки коленвала показывает, что при скорости w,=40 мм/с, которая может считаться оптимальной для получения качественной отливки, значения \\'1 изменяются в процессе заполнения формы, достигая в начальный период 250 мм/с. Поэтому на участках, соответствующих начальному периоду заполнения формы, могут возникнуть дефекты, вызванные жидкой фазой продуктов термодеструкции ГМ.

Исследование особенностей заполнения вакуумируемой формы через ЛС с литейным фильтром и без него. Фильтр представляет собой дополнительное сопротивление движению металла через каналы ЛС. Полученные данные о изменении коэффициента сопротивления литейных .фильтров в зависимости от гидравлических параметров течения металла в каналах ЛС (число Реннольдса Ие, расход (2 и скорость течения V в питателе ЛС) позволили определить характерные зоны ламинарного и турбулентного режимов течения. При работе полного сечения фильтрования (без учета перекрытия каналов фильтров неметаллическими включениями), приближенные правые границы первой автомодельной области (область ламинарного течения)

Рис.2 Изменение скорости подъема металла и форме но высоте отливки коленвала

составляют 2000-3500 по шкале числа Рейиольдса для исследованных типоразмеров фильтров (рис. 3). Левая граница второй автомодельной области (область турбулентного режима) также в какой-то степени зависит от тина фильтра и составляет 6500-10500. Полученные результаты также позволяют обозначить рекомендуемые режимы течения в каналах ЛС, включающих литейные фильтры. Так, участка между границами первой и второй автомодельных зон, соответствующего переходному режиму течения, целесообразно избегать, так как сосуществование ламинарной и турбулентной областей нарушает равномерность заполнения формы из-за образования вихрей в потоке за литейным фильтром.

Одновременно установлено, что по мере повышения скорости течения в питателе ЛС от 5 до 45 см/с, коэффициент £ф снижается в 15-25 раз. Вместе с тем кинетика изменения £ф зависит от площади ссчеиия каналов фильтра. Например, при увеличении размеров ячеек фильтра от 1x1 мм до 3x3 мм, £ф уменьшается в 3-7 раз (рис. 3).

Во время заливки, сечение фильтрования 1*ф постоянно уменьшается из-за перекрытия каналов фильтра неметаллическими включениями. Показано, что при умепынешш Рф на 60%, значения

1280

1240

§200

§160

¡120 I 80

-9*

•е- 40

л

о р

* 50 100 200 300 400 Расход, ф, смЗ/с

5 10 15 20 25 30 35 40 45 Скорость, V, см/с

1985 ' 5955 ' 9926 13896 ' Число Рейпольдса

Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления литейных фильтров от гидравлических параметров течения в каналах литниковой системы ( N1, N2, N3 - фильтры с прямыми каналами с размером ячеек 1x1, 1,75x1,75, 3x3 мм, соответственно)

коэффициентов £ф для всех изученных фильтров увеличиваются в 3-5 раз, что может приводить к большей устойчивости режима течения расплава в каналах ЛС.

И результате исследования особенностей заполнения вакуумируемой формы установлено, что увеличение разрежения в форме Р„ ведет к увеличению разрежения в полости формы Р„ и длительности стабилизационного периода 1с, по рост Р„ больше критической величины 7 КПа уже не изменяет ^ и величину Рп. Анализ экспериментальных данных показал, что наличие фильтра в ЛС вакуумируемой формы практически не оказывает влияния на и Р„. Одновременно определялась относительная газонасыщенность расплава. Установлено, что при заполнении вакуумируемых форм, количество вовлекаемой в форму газовой фазы предопределяется величиной разрежения в форме и снижается в 2-,') раза в случае использования литейного фильтра. При получении отливок из ЧШГ

— О о- X- <3 в « X 1)1 щ 1н 1Л >аг 1Л 1Л 1Л -ш ЬТ1 эТ| 3 1 к и э 3 Г 13 4 с ВС пе Г не 1 1Ш01 I

V 1

\

г \ 1

I, 1 Г"* ч у --

такая особенность способствует уменьшению степени окисления главного модифицированного элемента магния в процессе заполнения формы расплавом и уменьшению вероятности образования вырожденных форм шаровидного графита в структуре чугуна.

При ЛГМ-нроцессе основным условием для получения качественных отливок является заполнение формы с определенной скоростью Wj. Как правило, эти скорости равны 2-4 см/с. При получении отливок коленчатых палов, таким величинам скоростей соответствуют сравнительно небольшие расходы Q н скорости истечении жидкого металла в форму v, что предопределяет ламинарный режим течения в питателе ЛС (Re=2000-3500, первая авгомодельная область) для всех изученных типов фильтров независимо от изменения величины из-за уменьшения сечения фильтрования по время заливки.

Для снижения газонасыщенпосги расплава при производстве отливок коленчатых валов ЛГМ- процессом в вакуумируемых формах установлено, что значение разрежения в форме Рв не должно превышать 50 КПа.

Влияние основных технологических параметров ЛГМ- процесса па качество отливки коленвала. Влияние основных технологических параметров на показатели качества отливки (площадь, пораженная дефектами S„ и глубина проникновения дефектов А„) описано уравнениями регрессии:

S„= -927 +13,10w,+0,662Т3+32,38р5-0,009961 w1-T3+0,07782w1p5-

-0,0235Т3-р5, %; (5)

Д„= -82,7+1,82wl+0,05978Ta+2,129p5-0,001384w1T3+

+0,009032W,P5-0,001596TVP5, MM, (6)

где относительная ошибка аппроксимации для S„ и Да равна 4,85% и 3,71% соответственно.

На основании анализа уравнений (5) и (6) установлено, что влияние скорости wt, температуры заливки Т3 и плотности ГМ р5 на качество изучаемой поверхности коленвала очевидно. Причем, главенствующим фактором является скорость w,, влияние которого усиливается при больших значениях рз и низких Т3. Так, установлено, что повышение скорости w, or 20 до 40 мм/с при р-,=20 кг/м3 и Т3=1440 "С увеличивает глубину проникновения дефектов Л„ в 1,75

раза, а при рз=28 кг/м3 и Т;1=1400 "С - в 5 раз (рис. 4). Вместе с тем, полученные данные позволяют, утверждать, что варьирование Р5 н Т3 даст возможность получить высококачественную поверхность отливки коленвала, когда Дп составляет не более 0,2-0,35 мм.

' 2

Рис.4. Влияние скорости па величину глубины проникновения дефектов,

где: 1 -р3=28 кг/м^, Т3=1400 °С; 2 -р3=28 кг/мЗ, Т3-1440 "С;

3 -Р5=20 кг/мЗ, Т3=1400 °С; 4 -р.-,=20 кг/м-Ч, Т3=Ж0 "С;

Исследование влияния_Ш^Шт'К'ШН'Н_обработки_______на

формирование структуры и свойств литого коленчатого _вма, Для достижения требуемых структуры и свойств чугуна в отливке коленвала применялись: комплексное легирование, модифицирование, инокулнропание и термическая обработка (нормализация).

Влияние легирующих элементов на структуру металлической основы перлито-феррпгного чугуна (количество феррита Ф) и физико-механические свойства ЧШГ (предел прочности при растяжении о,,, предел текучести стод, твердость по Вринеллю ИП, относительное удлинение 8, ударная вязкость КС, усталостная прочность о.)) как в

литом состоянии, так и после нормализации, описано в работе уравнениями регрессии, основные из которых представлены в следующем виде:

Ф^07 = 88,1 - 76,25Мп - 44,17Си - 4,167№ + 35МпСи +

+ 1,667Мп№ - 0,444Си№, %; (7)

Ф°'12 = 73,4 - 66,87Мп - 40,42Си - 18,75№ + 30,83МпСи +

+ 14,17Мп№ + 7,ЗЗСи№, %; (8)

Ф°'07 = 10,9 - 8,75Мп - 7,6й7Си - 1,833№ 4 6,667МпСи -

- 1,667Мп№ + 1,778Си№, %; (9) Ф°'12 = 7,25 - 7,50Мп - 4,833Си - 1,333№ + 5,0МпСи +

+0,888Си№, %; (10)

°вл7 = 461 + 187,5Мп + 151,7Си + 82,5№ - 16,67МпСи - 75Мп№ -

- 4,445Си№, МПа; (11) = 484 + '81,ЗМи + 155,8Си + 84,7№ - 25МпСи - 75Мп№ -

- 6,66Си№, МПа; (12) о";® = 665 + 134,4Ми + 90,4Си + 13,75№ - 37,5МпСи +

+ 29,17МпЫ1 + 10Си№, МПа; (13)

°вн2 = 674 + 146.9МП + 92,9Си + 19,58№ - 45,8МпСи +

+ 20,83Мп№ + 12,22Си№, МПа; (14)

НВ°07 = 186 + 31,13Мп + 26,25Си + 11,08№ - 2,5МпСи -

- 7,5Мп№ - 2,444Си№; (15)

НВ°'12 = 192 + 33,75Мп + 25,50Си + 11,50№ - 1,667МпСи -

-8,ЗЗЗМл№ -3,11Си№; (16)

НВ0,07 = 2 44 . 3125Мп - 1,25Си -18,75№ + 12,5МпСи +

+ 37,5Мп№ + 7,778Си№; (17)

НВ®>,2= 249 - 1,25Мп - 1,167Си - 17,5№ + 11,67МпСи +

+ 35Мп№ + 7,55Си№; (18)

5"'07 = 15,1 - 4,375Мп - 5,7Сц - 1,067№ + 2МпСи - 0,ЗЗЗМп№ +

+ 0,666Си№, %; (19)

б"'12 = 14,7 - 4,375Мп - 5,81Си - 1,083№ + 2,167МпСи -

- 0,5Мп№ + 0,7Си№, %; (20) 5°'07= 9,86 - 8,31Мп - 2,325Си - 0,0775№ + 3,91МпСи +

+ 1,417Мп№ - 0,ЗЗЗСи№, %; (21)

6°12 = 9,26 - 8,125Мн - 2,117Си - 0,7№ + 3,833МпСи +

+ 1,ЗЗЗМп№ - 0,4Си№, %; (22)

. а°,°7 = 203 - 6,25Мп + 40,83Си + 27,5№ - 8,ЗЗЗМпСи -

- 8,334 Мп№ - 11,11Си№, МПа; (23) о0',1;? = 204 + б,25Мп + 40,83Си + 27,5№ - Й.ЗЗЗМпСи,-

- 8,ЗЗЗМп№ - 13.33Си№, МПа; (24) о?-»7 = 223 + 25Мп + 50Си + 34,17№ - ЗЗМпСи - 25МпЫ1 -

- 11,11Си№, МПа; (25) а0/,^ = 235 + 15,62Мп + 49,58Си + 30,42№ -

29,17МпСи - 20,83Мп№ - 10Си№, МПа; (26)

Верхние индексы 0,07 и 0,12 означают минимальную и, соответственно, максимальную скорость охлаждения в отливке коленвала, а нижние индексы "л" и "н" означают "литое состояние" и, соответственно, "после нормализации".

Указанные зависимости позволяют с достаточной точностью (множественный коэффициент корреляции 11=0,89-0,999; относительная ошибка аппроксимации 0,15-14,05 %) оценить структуру и свойства Ч1ПГ при различных вариантах концентрации Мп, Си и N'1.

С помощью вышеуказанных уравнений регрессии показано, что, в литом состоянии, требуемые пластические свойства в различных сечениях отливки коленвала могут быть получены путем варьирования концентраций легирующих элементов в изученном интервале (0,3-0,7 % Мп; 0-1,5 % Си; 0-1,5 % N0, а повышение прочностных характеристик до требуемых возможно в случае повышения добавки марганца до 0,7 % при одновременном легировании, чугуна медыо и никелем. Однако, такое увеличение концентрации марганца до максимального изученного предела приводит к снижению усталостной прочности, которая определялась по клиновидным пробам. В связи с этим, содержание марганца в ЧШГ не должно превышать 0,5 %. Но, при таком содержании Мп, обеспечение требуемых прочностных свойств чугуна в литом состоянии возможно только при повышенном уровне легирования металла медыо и никелем.

Результаты исследований влияния молибдена па свойства ЧШГ, легированного медыо (1,03 %) и никелем (0,60 %) показали, что ввод 0,2 % Мо в чугун позволило получить необходимый уровень физико-механических свойств во всех участках отливки коленвала.

При изготовлении отливок коленвалов Л ГМ-ироцсссом, для получения качественных отливок без дефектов, вызванных наличием

газифицируемой модели, температура заливки должна составлять 1400-1440 °С, что влечет за собой повышение температуры перегрева (1540-1.580 °С), модифицирования (1490-1530 °С) и «»окулирования (1410-1450 °С) чугуна. Однако такой перегрев исходного расплава затрудняет достижение требуемых характеристик шаровидною графита. Проведенные эксперименты показали, что применение инокулирования ферросилицием ФС75л (в количестве 0,35 %) способствует увеличению количества включений шаровидного графита на единицу площади шлифа и уменьшению их размеров. Коленчатые валы обладали требуемым пределом выносливости при стендовых испытаниях, однако характеристики графитной фазы чугуна (N, шт/мм2 и Граj, мкм) не соответствовали требуемой структуре Ч111Г. Установлено, что ииокулирование чугуна силикобарием СБ25 (0,35 %) более эффективно изменяет ход кристаллизации ЧШГ, что позволяет устранить трудности, связанные с повышенными температурами обработки чугуна при ЛГМ-ироцессе и получить требуемые характеристики графита N и Граз но всему сечению отливки коленвала.

Методика выбора и расчета оптимальных технологических

параметров_процесса получения литых коленчатых валов.

Проведенные исследования позволили разработать универсальную методику определения основных технологических параметров процесса получения отливок коленналон из ЧШГ по газифицируемым моделям. Блок-схема последовательности определения технологических параметров представлена на рис. 5.

Для оптимизации и выбора основных параметров получения отливок коленчатых валов, разработаны номограммы, позволяющие определить среднюю скорость подъема металла в форме w, в зависимости от плотности модели рз и температуры заливки Т3 Определение значений таких параметров ЛГМ-ироцесса, как Н, FniIT, Mim. Pu, К-ь К„, обеспечивающих заполнение формы металлом с определенной скоростью (w,) производится с помощью пакета прикладных программ, который был создан в ФТИМС HAH Украины на основании усовершенствованной математической модели процесса.

По температуре заливки Т3 (рис. 5) также определяют температурный режим обработки расплава чугуна (температура перегрева Т„, модифицирования Тм и инокулирования Ти), которые

wl

/

т 3

11 - Fmn- Мгм-

К1;КП,РВ

II

Т Т„

1 м

Литое состояние

Выбор легирующих элементов

Нормализация

Получение отливок -Ж-

Рис. 5. Блок-схема определения технологических параметров процесса получения отливок коленвалов,

где: I - параметры, определяющие качество поверхности отливок коленвалов;

II - параметры, определяющие уровень физико-механических и служебных свойств.

вместе со степенью легирования чугуна, влияют на структуру и уровень физико-механических и служебных свойств коленчатых налов.

Универсальная схема процесса изготовления отливок коленвалов предусматривает возможность их получения по двум вариантам: в литом состоянии и после нормализации. Поэтому выбор легирующих элементов и их концентрации в чугуне зависит от применения того или другого варианта. В связи с этим, разработаны совмещенные номограммы для определения оптимальной степени легирования чугуна медыо и никелем, обеспечивающей достижение требуемою уровня свойств, в литом состоянии или после нормализации, а также в литом состоянии в случае дополнительного легирования молибденом.

Внедрение технологического процесса. По представленной универсальной методике разработаны конкретные технологические режимы получения литых коленвалов легковых автомобилей румынского производства "ДАЧПЯ", которые по конструкции и требованиям являются типичными представителями группы аналогичных литых деталей автомобилей этого класса (Pcnßcot, Renault, Fiat, ВАЗ и другие). Внедрение технологии для производства

коленвалов автомобилей "ДАЧИЯ" на заводе "АЛФОР" (Румыния), взамен литья в песчаные формы на линии "Дисаматик" позволило уменьшить массу отливок на 10%, снизить себестоимость одной отливки па 5,60 $ США и достичь экономического эффекта в размере 414 $ США/1 т годного литья. При этом, средний уровень механических свойств превысил требуемый для коленвала: ав на 20 МПа, 8 па 3,6% в литом состоянии и на 88 МПа и 2,2% после нормализации, предел выносливости увеличился более чем в 2,5 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

При выполнении работы были получены следующие результаты:

1) Выведены математические зависимости, описывающие влияние геометрических параметров отливки, литиикоиой системы и давления парогазовой фазы в зазоре между моделью и расплавом на основные характеристики гидродинамики движения расплава в литейной форме с газифицируемой моделью.

2) Усовершенствована физико-математическая модель ЛГМ-нроцесса, с учетом скорости подъема металла в форме и времени заполнения формы в зависимости от типа и геометрических параметров литниковой системы и литейной формы, что позволяет прогнозировать качество отливки и управлять заполнением формы с целью устранения дефектов коленвала, связанных с термодеструкцией газифицируемой модели.

3) Па основании исследований влияния различных видов керамических фильтров на режим течения расплава в кацалах литниковой системы определены значения коэффициента сопротивления фильтров и границы гидродинамических режимов литья в зависимости от скорости истечения металла и типа фильтра.

4) Методами физического моделирования исследованы особенности заполнения вакуумируемых форм через литниковую систему с литейным фильтром и без него. Установлено, что газонасыщенность расплава при заполнении вакуумируемых форм предопределяется величиной разрежения в них и снижается в 2-3 раза в случае использования литейного фильтра.

5) Установлено, что для снижения газоиасыщеиности расплава при производстве отливок коленвалов методом литья по газифицируемым моделям в вакуумируемых формах, значение разрежения в форме не должно превышать 50 КПа.

6) Рассчитаны математические зависимости показателей качества ливки (глубины и площади дефектов поверхности) от основных хноло гичсскнх параметров ЛГМ-п роцссса. Установлен характер [ияиня скорости подъема металла в форме на качество отливки 1лснвала в зависимости от температуры заливки чугуна и плотности зифицируемой модели.

7) Получены экспериментальные зависимости, рассчитаны >авнспия регрессии и построены номограммы, описывающие влияние пирующих элементов Мп, Си, № и Мо на структуру и физнко-¡ханические свойства ЧШГ при минимальной - 0,07 "С/с н 1ксимальной 0,12 °С/с скоростях охлаждения металла в отливке 1леивала в литом состоянии и после нормализации.

8) Исследовано влияние температурных режимов обработки тированного чугуна (Си=1,03%; N¡=0,6% и Мо=0,2%) и вторичного )дифнцирования на микроструктуру металла и усталостную шчность коленвалов. Установлено, что обработка расплава чугуна •индексным инокулятором СБ25 позволяет устранить трудности, язанпые с повышенными температурами перегрева и )дифицирования при ЛГМ-процессе.

9) Построены номограммы и . определены области оптимальных хнологичсских параметров (скорость подъема металла в форме, готность модели, температура заливки), которые обеспечивают •лучение качественной поверхности отливок коленчатых валов.

10) Разработаны номограммы для оптимизации степени тирования чугуна медыо и никелем в литом состоянии и после •рмализапии, а также в литом состоянии в случае дополнительного тирования молибденом при получении отливок коленвалов ЛГМ-юцессом с регламентированными свойствами.

И) Разработана универсальная методика определения хнологичсских параметров процесса получения качественных ливок коленчатых валов из ЧШГ при ЛГМ-процсссе.

12) На основе универсальной методики определены конкретные хиологнческие режимы, позволившие получить отливки коленвалов томобилей румынского производства "ДЛЧ11Я", соответствующие ем требованиям по качеству поверхности, структуре, физнко-:ханнческпм и служебным свойствам как в литом состоянии, так и юле нормализации.

13) Разработанная технология получила промышленное внедрение I заводе "АЛФОР" (Румыния), для производства коленчатых валов

из ЧШГ для легковых автомобилей "ДАЧИЯ". Это позволило снизит! себестоимость одной отливки коленвала на $ 5,60 и достичь годовой экономического эффекта в размере 415305 $ США.

14) На основании всестороннего анализа результатов исследованш с применением современных и специально разработанных методш показана эффективность использования ЛГМ процесса для нолучеии* качественных отливок коленчатых валов для легковых автомобилей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Особенности управления процессом заполнения формы металлов при литье по газифицируемым моделям коленчатых валов легковьи автомобилей / О.И. Шинский, В.А. Злубко, М. Брынзеа// Процессы литья. 1995. N3. с. 19-29.

2. Cercetari privind obtinerea arborilor cotiti destinati automobileloi "DACIA" prin turnarea de precizie cu modele gazeificabile din polistirer in forme vidate / O.I. Shinski, V.I Litovka, M. Brinzea, V.A. Zlubko, A.I. Valigura // Revista de turnatorie. 1995. N1. c.27-33.

3. Коленчатые валы из высокопрочного чугуна для легковых автомобилей румынского производства "ДАЧИЯ", полученные при литье по газифицируемым моделям/ О.И. Шинский, М. Брынзеа // Тез. докл. "Новые технологии и маркетинг в литейном производстве" г. Киев. 1995. с.71-72.

4. Kinetics of polystyrene granules in the static process of preliminary foaming / O.I. Shinski, H. Chiorean, I.O. Shinski, M. Brinzea//Metallurgy and New Materials, vol IV, 1996 N1. p.29-40.

5. Исследование коэффициентов сопротивления керамических литейных фильтров и их влияние на гидравлические параметры литниковой системы / О.И. Шинский, Г.В. Ефимов, Б.С. Гончар, М. Брынзеа//Процессы литья. 1996. N2. с.18-28.

6. Influenta filtrelor de turnatorie asupra parametrulor hidraulici ai retelei de turnare si consideratii privitoare la dimensionarea lor/ O.I. Shinski, B.S. Gonchar, G.V. Efimov, M. Brinzea// В печати Revista de turnatorie. 1996. N3.

7. Особенности гидрогазодинамики заполнения вакуумирусмых литейных форм/ О.И. Шинский, Б.С. Гончар, М. Брынзеа// В печати Процессы литья. 1996. N3.

АНОТЛЦШ

. Бринзса К.М. "Технолопя виробництва виливюв колшчастих вал in з чавуну з кулястим граф^ом по моделям, що газифшуються, для легкових автомоб!лей".

Захищаеться 5 po6iT, в яких представлено в удосконаленому вигляд! ф1зико-математичну модель ЛМГ-пропесу, що враховуе тип та парамстри лишшково! системи, та дозволяе ирогнозувати як!сть виливк!в, керувати заповнепням форми з метою виключення дефект'|в вилнвки, внкликаиих продуктами термодеструкпП модель що газифпсуеться, а також винайти ociiouni параметр!! заполнения форм» будь-яко? копфнуранп. Методами ф|знчного моделювапня дослщжеш особливосп заповпення форм, що вакуумуються, кр!зь ливникову систему з ливарним фьпьтром та без нього. Винайдеш меЖ1' Г1др0динам1чиих режим1в литва в залежиост1 в1д швндкосп шшкання металу та типу ф!льтру. . Грунту гочись на дослщжешй виливу осповиих параметр1В пронесу литва по моделям, що газифжуються, на яккть nonepxni виливк1в, а також впливу комплексно! обробки чавуну на формуванпя структурп i властивостей, розроблепа ушверсальна методика випайдення технолоНчних иараметр'ш пронесу одержання виливк!в колшчастих вал!в з чавуну з кулястим гряф|'том при литш но моделям, що газифтуються.

Ключош слова: модель, що газиф1куеться, колшчастий вал, чавуп, модифматор.

RESUME

Brinzea С.М. "Technology of ductile iron crankshafts production for automobiles using evaporative pattern casting process (EPC)".

5 scientific works are submitted having the results of the improved physico-mathematical model of EPC. The model takes into account type and parameters of gating system and makes possible prognosis of casting quality, mould filling control on purpose to eliminate the defects caused by destruction products of the pattern, and also determination of the mould filling parameters. Using the methods of physical simulation the features of the vacuuin-mould filling through a gating system with or without filter have been studied. The limits of casting hidraulics regimes depending on outflow rate of the metal and type of the filter are determined. On the basis of studies of the influence of EPC parameters on surface quality, and also of the influence of a complex treatment of the iron on structure and properties forming, a universal method for obtaining ductile iron crankshafts was developed.

Key words: evaporative pattern, crankshaft, ductile iron, modificator.