Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время промышленность остро нуждается в разработке и внедрении эффективных и высокопроизводительных технологических процессов литья заготовок деталей машин с высокими эксплуатационными свойствами, способных выдерживать большие тепловые и знакопеременные нагрузки, обладающих длительным ресурсом работы. Отсюда необходимым становится значительное повышение уровня свойств материала отливок и заготовок, определяющих конструкционную прочность, эксплуатационную стойкость и надежность литых деталей. Это особенно важно для литых заготовок, используемых для изготовления ответственных деталей сменного инструмента деформации, работающего в условиях тяжелых знакопеременных нагрузок и высоких температур (например, на колесопрокатных и трубопрокатных линиях металлургических предприятий).
Традиционно в качестве материала в этом случае в промышленности используются дорогостоящие высоколегированные стали и чугуны. Поэтому в центре внимания исследователей оказывается проблема создания, освоения и внедрения в производство способов и приемов жидко-и твердофазной обработки экономнолегированных сталей и чугунов при их подготовке и заливке в литейную форму.
Большой вклад в разработку и решение этой проблемы внесли российские ученые: Н.Н. Александров, К.И. Ващенко, КН. Вдовин, Н.Г. Гиршович, Я.Е. Гольдштейн, И.А. Дибров, А.А. Жуков, Е.В. Ковалевич, В.М. Колокольцев, Г.А. Косников, Хосен Ри, А.А. Рыжиков и др.
Их фундаментальные теоретические и практические исследования являются основой для разработки и внедрения в производство эффективных технологий обработки металлического расплава с целью повышения физико-механических свойств отливок.
Тем не менее эксплуатационный ресурс целого ряда ответственных деталей, и прежде всего деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур (штампов, валков, пресс-форм, деталей металлургического оборудования), остается недостаточным, не соответствующим постоянно растущим современным требованиям. Это свидетельствует о нерешенности упомянутой ранее проблемы и обусловливает необходимость продолжения исследований в данном направлении. При этом приоритетное внимание требуется уделить комплексным методам обработки материала литых заготовок.
Связь работы с научными программами
Исследования проводились в соответствии с тематическим планом НИР НГТУ, реализуемым по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2001-2009 гг. по теме «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов», а также рядом федеральных и региональных целевых программ.
Кроме того, работы выполнялись по договорам с рядом предприятий и организаций города Нижнего Новгорода и Нижегородской области. Часть результатов отражена в отчетах о выполнении научно-исследовательских работ, прошедших государственную регистрацию.
Цель работы
Совершенствование практики получения стальных и чугунных отливок для увеличения эксплуатационного ресурса деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, за счет комплексного воздействия на расплав при производстве отливок из стали и чугуна.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
выявление причин разрушения штатных изделий, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, разработка рекомендаций по их устранению и помощь в их реализации;
систематизация данных по качественному и количественному влиянию обработки активными элементами расплавов сталей и чугунов по характеристикам отливок;
исследование взаимосвязи процессов микролегирования, модифицирования и рафинирования расплава и выявление их комплексного воздействия на микроструктуру, механические свойства и износостойкость заготовок деталей из стали и чугуна;
совершенствование технологического процесса, физико-химической схемы технологии процесса модифицирования высокопрочного чугуна и методики определения рабочих параметров процесса;
исследование процессов раскисления и рафинирования расплава стали с использованием отходов, образующихся при производстве вторичного алюминия, и разработка методики оценки раскисляющей способности алюмошлака путем сравнения концентраций раскислителей и кислорода;
разработка ряда новых технологических решений получения заготовок, обеспечивающих повышение эксплуатационного ресурса ответственных деталей (валков, штампов, пресс-форм, деталей металлургического оборудования);
внедрение результатов исследований и разработок в действующее производство.
Научная новизна диссертационной работы
-
Разработана концепция выбора и получения структуры сплавов, устойчивых при эксплуатации к знакопеременным нагрузкам до 9.000 МПа и температурах до 1150С.
-
Установлена количественная взаимосвязь микролегирующего, модифицирующего и рафинирующего эффектов, обеспечивающих измельчение зерна и равномерное распределение структурных составляющих и неметаллических включений в материале формирующихся отливок.
-
Получены общие уравнения связи числа центров кристаллизации (для стали) и центров графитизации (для чугуна) с параметрами процесса кристаллизации сплавов.
-
Разработана упрощенная методика оценки раскисляющей способности элементов при жидко фазной обработке железоуглеродистых сплавов.
-
Разработана методика математического расчета рабочих параметров процесса модифицирования для стабильного получения высокопрочного чугуна при снижении расхода лигатуры.
-
Научно обоснована технология изготовления стальных и чугунных отливок ответственного назначения, обеспечивающая формирование оптимальной исходной кристаллической структуры и способствующая реализации самоорганизующихся процессов фазообразования и формирования выделений зародышевого типа.
-
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность способов обработки железоуглеродистых расплавов, позволяющих существенно повысить эксплуатационный ресурс ответственных деталей.
Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности
-
Разработан ряд технических и технологических решений (составы новых материалов, модификаторов и лигатур, способы обработки расплава, химические составы чугунов и сталей), обеспечивающих повышение физико-механических и эксплуатационных свойств литых заготовок для изготовления ответственных деталей. Решения защищены 20 авторскими свидетельствами и патентами РФ.
-
Разработаны и внедрены в производство технологии комплексного воздействия на расплавы чугуна и стали с целью повышения качества отливок, используемых для изготовления деталей инструмента, работающего в сложных эксплуатационных условиях.
Технологические режимы обработки расплавов внедрены на ОАО «Выксунский металлургический завод» (ОАО «ВМЗ») и ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» (ОАО «НМЗ»).
3. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок в
действующее производство составил 45 млн. руб. в ценах 2007 года.
Личный вклад соискателя
Основные положения, выводы и рекомендации принадлежат автору, который выбрал научно-техническое направление, определил цель и задачи исследований. Автор провел аналитические и экспериментальные исследования структуры и свойств сталей и чугунов после различных вариантов комплексного воздействия. Кроме того, автором лично внедрены на ряде предприятий разработанные технологические решения (составы материалов, способы обработки, химические составы сталей и чугунов) и определены пути дальнейшего развития научных исследований в данном направлении.
Настоящая диссертация является итогом исследований, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, работниками предприятий ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» и ОАО «Выксунский металлургический завод». Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам упомянутых организаций, оказавшим помощь в проведении экспериментов и внедрении разработок.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на Республиканской научно-технической конференции «Газы и неметаллические включения в литейных сплавах», г. Запорожье, 1985 г.; на Республиканской научно-технической конференции «Пути повышения качества и экологичности литейных процессов», г. Одесса, 1990 г.; на съездах литейщиков России: на II съезде г. Ленинград, 1992 г.; на IV г. Владимир, 1997 г.; на VI г. Екатеринбург, 2003 г.; на VII г. Новосибирск, 2005 г.; на VIII г. Ростов-на-Дону, 2007 г.; на IX г. Уфа, 2009 г.; на X г. Казань, 2011г.; на Республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г. Челябинск, 2001 г.; на Международных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, 2002, 2005, 2007, 2009, 2011г.; на Международных научно-практических конференциях «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2003, 2008, 2010, 2012 г.; на Межрегиональной научно-практической конференции «Заготовительные производства и материаловедение», г. Нижний Новгород, 2009 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов», г. Новокузнецк, 2012г.
Публикации
