Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Требования, предъявляемые к шарикообкатному инструменту 8
1.2. Основные характеристики шарикообкатного инструмента 10
1.3. Общие сведения о чугуне, как материале для производства литого шарикообкатного инструмента 12
1.4. Цути повышения служебных свойств литого шарикообкатного инструмента 20
1.5. Выгоды. Цель и задачи исследований 22
2. Методика проведения исследований 24
2.1. Способы выплавки и контроль химического состава чугуна 24
2.2. Металлографический анализ. Метод отбора проб из отливок для исследования микроструктуры чугуна ... 25
2.3. Методы испытания механических свойств чугуна 26
2.4. Метод испытания чугуна на прокаливаемость 26
2.5. Метод испытания шарикообкатного инструмента на производительность и износостойкость 30
2.6. Метод анализа и экспрессконтроля качества литых заготовок инструмента по термическим кривым кристаллизации чугуна 33
3. Разработка способов регулирования структуры и свойств чугуна в производстве жтого шарикообкатного инструмента 36
3.1. Влияние химического состава на твердость чугуна в литом и термически обработанном состоянии... 36
3.2. Влияние химического состава на микроструктуру и механические свойства чугуна 51
3.3. Влияние перегрева расплава чугуна на размер включений графита, закаливаемость и прокаливаемость, шарикообкатного инструмента 63
3.4. Влияние модифицирования на параметры кристаллизации, размер и количество графита в чугуне состава шарикообкатного инструмента 68
3.5. Влияние продувки расплава природным газом на параметры кристаллизации,размер и количество графита в чугуне состава шарикообкатного инструмента... 81
3.6. Экспрессконтроль качества литых заготовок инструмента по термическим кривым кристаллизации чугуна 90
3.7. Исследование влияния скорости охлаждения расплава в форме на макроструктуру литых заготовок шарико обкатного инструмента 92
3.8. Выводы 99
4. Влияние структуры и твердости чугуна на производительность и износостойкость инструмента ... 102
4.1. Влияние размера включений графита на производительность процесса обкатки. 102
4.2. Влияние давления на производительность шарикообкатного инструмента 106
4.3. Влияние давления на качество поверхности шариков 109
4.4. Влияние закаливаемости и прокаливаемости чугуна на износостойкость шарикообкатного инструмента 110
4.5. Влияние иттрия на производительность и износо стойкость шарикообкатного инструмента 113
4.6. Выводы.
5. Внвдрение научных результатов исследований и технико-экономическая эффективность разработки новой технологии в производстве и эксплуатации литого шарикообкатного инструмента 119
5.1. Разработка и внедрение новой технологии производства литого шарикообкатного инструмента 119
5.2. Технико-экономическая эффективность разработки новой технологии в производстве литого шарикообкатного инструмента 121
5.3. Технико-экономическая эффективность эксплуатации шарикообкатного инструмента, изготовленного по новой технологии, в условиях ГПЗ-3. 128
5.4. Выводы. 131
Основные выводы.. 132
Литература 134
Приложения 143
- Общие сведения о чугуне, как материале для производства литого шарикообкатного инструмента
- Металлографический анализ. Метод отбора проб из отливок для исследования микроструктуры чугуна
- Влияние химического состава на микроструктуру и механические свойства чугуна
- Влияние закаливаемости и прокаливаемости чугуна на износостойкость шарикообкатного инструмента
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС, а также декабрьского (1983г) Пленума ЦК КПСС перед работниками науки и промышленности поставлена задача- повысить производительность труда и снизить себестоимость выпускаемой продукции [i}z ].
В подшипниковой промышленности в решении этих задач большую роль играет повышение качества чугуна, применяемого при изготовлении специального инструмента для обработки шариков методом обкатки шарикообкатных дисков. Существующая технология производства чугуна для их изготовления обладает рядом существенных недостатков и, в первую очередь, не обеспечивает достаточную производительность и износостойкость шарикообкатного инструмента. В связи с этим является актуальным совершенствование способов производства чугуна для изготовления литого инструмента. Перспективным направлением при этом является разработка специальных способов регулирования структуры и свойств чугуна с целью повышения физико-механических свойств инструмента. Однако в литературе отсутствуют соответствующие сведения применительно к условиям производства шариков для подшипников.
В представленной диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Выявление факторов определяющих производительность и износостойкость литого чугунного шарикообкатного инструмента.
2. Теоретический анализ влияния процессов кристаллизации на изменение структуры и свойств чугуна, применяемого при изготовлении шарикообкатного инструмента.
3. Исследование влияния химического состава на твердость чугунного инструмента в литом и термически обработанном состоянии.
4. Исследование модифицирования расплава методом термического анализа и определение влияния параметров затвердевания на размер и количество включений графита в чугуне состава шарикообкатного инструмента.
5. Исследование влияния структуры и твердости чугуна на производительность и износостойкость шарикообкатного инструмента.
6. Разработка и внедрение в производство технологии изготовления литого чугунного шарикообкатного инструмента с оптимальными свойствами.
7. Повышение технико-экономической эффективности производства и эксплуатации шарикообкатного инструмента, изготовленного по разработанной технологии.
Автор выносит на защиту:
1. Механизм явлений, обуславливающих производительность и износостойкость литого чугунного шарикообкатного инструмента.
2. Рекомендации по регулированию структуры и свойств чугуна с целью повышения производительности и износостойкости шарикообкатного инструмента.
3. Состав чугуна с высоким уровнем закаливаемости и прокаливаемости в сочетании с предпочтительной крупнопластинчатой формой графита в структуре.
4. Метод регулирования износостойкости шарикообкатного инструмента модифицированием расплава чугуна иттрием.
5. Математические зависимости, связывающие:
- производительность шарикообкатного инструмента и размер
- 7 включений графита в чугуне;
- износостойкость шарикообкатного инструмента и твердость чугуна после термической обработки.
6. Способ регулирования структуры чугуна продувкой расплава природным газом.
7. Рабочую технологию получения литого шарикообкатного инструмента из чугуна модифицированного иттрием.
По результатам работы автором разработана и внедрена в производство новая технология изготовления литого чугунного шарикообкатного инструмента, позволившая увеличить долговечность последнего в 3 раза и повысить производительность при обкатке шариков на 25,8$. Ежегодный экономический эффект от внедрения результатов исследований только по Саратовскому подшипниковому заводу составляет более 241,6 тыс.рублей.
Общие сведения о чугуне, как материале для производства литого шарикообкатного инструмента
Известно, что свойства чугуна определяются его структурой. Формирование структуры отливки определяется характером кристаллизации чугуна. Ведущим процессом при этом является графитиза-ция, определяющая не только количество, форму и распределение графита в чугуне, но и строение его металлической основы [11,12, 13,14,15 7.
Согласно теории Таммана, кинетика кристаллизационных процессов зависит от двух параметров: скорости образования зародышей и линейной скорости роста их граней, которая зависит в свою очередь от величины переохлаждения. При этом кристаллизационные параметры приспосабливаются, меняют свои характеристики, в зависимости от процесса теплоотвода путем соответствующего изменения переохлаждения [16,17,18,19J . Учитывая, что при переохлаждениях больших 100 графитная фаза не растет, можно считать, что зарождение графита в процессе затвердевания чугунов может быть гетерогенным процессом, требующим обязательного присутствия Е растворе примесных частиц [15,18,19,20] .
Механизм влияния примесей на кристаллизацию чугуна сложен и до конца не изучен. Практически любая примесь в какой-то степени оказывают свое влияние [21,22,23,24,25,26 J . Частицы примесей обладают способностью возбуждать кристаллизацию при очень малых переохлаждениях. При этом чем больше зародышей, тем медленнее они растут, так как общая объемная скорость кристаллизации постоянна для каждого момента и определяется величиной теплоотвода от формы. Графитизация чугуна является частным случаем кристаллизации и имеет диффузионный характер I 27] . С точки зрения принципа Данкова П.Д., наиболее вероятными зародышами графита в расплаве чугуна могут быть макро-и микрочастицы самого графита, а также включения, на которых способны адсорбироваться частицы графита.
В связи с тем, что основные характеристики качества шари-кообкатного инструмента- производительность и износостойкость, непосредственно зависят от структуры, необходимо рассмотреть влияние различных факторов на процесс кристаллизации и графити-зации чугуна.
Химический состав чугуна играет определяющую роль в достижении требуемых служебных свойств. Основными химическими элементами его являются: железо, углерод, кремний, марганец,хром, никель, молибден, фосфор и сера. Каждый из перечисленных эле ментов оказьшает влияние на структуру и свойства чугуна, причем влияние их различно.
Влияние углерода и кремния на структуру и свойства чугуна рассматривают обычно совместно и чаще всего как функцию углеродного эквивалента или степени эвтектичности [14] . Оба элемента способствуют графитизации. С повышением содержания углерода и кремния увеличивается количество и размер графита в структуре чугуна. Особенно сильно в этом направлении действует углерод [28,29,30,3IJ .
Изменение содержания углерода и кремния в чугуне также оказывает влияние на твердость его после закалки. Так повышение содержания углерода, а следовательно, степени эвтектичности чугуна, спшает твердость чугуна как в литом состоянии, так и после закалки [32].
Уменьшение твердости чугуна при увеличении содержания углерода происходит в основном за счет увеличения количества графита и, в особенности, величины графитовых включений [32]. При постоянном углеродном эквиваленте изменение содержания кремния мало влияет на твердость чугуна Е закаленном состоянии. В работах [33,34] показано, что графитизирующее действие повышенных концентраций кремния связано с уменьшением растворимости графита в чугуне и увеличением термодинамической активности углерода.
Влияние марганца и серы на структуру чугуна определяется избытком того элемента, который остается свободным после образования сульфидов. Марганец в сером чугуне препятствует графитизации в процессе кристаллизации и понижает критическую точку эвтектоидного превращения, в результате чего структура перлита стабилизируется и становится мелкодисперсной. При повышении содержания марганца количество перлита в структуре чугуна увели чивается, а феррита уменьшается, вследствие чего твердость чугуна возрастает.
Сера характеризуется ограниченной растворимостью в твердом металле, хорошо растворяется в цементите, стабилизируя его /"27J. Основная масса серы располагается по границам эвтектических зерен и в графите /"357. Как марганец, так и сера размельчают графит [3&]. Марганец увежчішает прокалиЕаемость чугуна, снижает мартенситную точку, способствует образованию при закалке остаточного аустенита [37] .
Фосфор оказывает существенное влияние на структуру металлической основы чугуна в литом и закаленном состоянии. При содержании фосфора, превышающем 0,1$, вЕиду ограниченной растворимости его в твердом состоянии и большой склонности к ликвации, образуется тройная фосфидная эвтектика, характеризующаяся высокой твердостью и хрупкостью [27,38]. Фосфидная эвтектика при температуре около 950С выделяется по границам эвтектических зерен в виде сетки или отдельных включений различной величины. С увеличением содержания фосфора происходит значительное измельчение эвтектического зерна, на форму графита фосфор влияет незначительно [39, 40J .
Металлографический анализ. Метод отбора проб из отливок для исследования микроструктуры чугуна
Исследование микроструктуры чугуна осуществляли на микроскопе МИМ-8М. Изучение графита и структуры металлической основы чугуна производили в соответствии с Г0СТ3443-77 [78] . В качестве травителя для выявления структурных составляющих чугуна применяли 5% раствор азотной кислоты.
Фрактографические исследования чугуна проводили на скадг/-рующем электронном микроскопе Э$м из с использованием установки для ионного травления ВУЯ-2К. Режим травления: вели-ионного тока 16-18мА, напряжение 1,8-2,0кВ. Время травления выбирали в зависимости от типа чугуна.
В связи с тем, что скорость охлаждения отливок шарикооб-катного инструмента составляет (2,5-3,3)«І0_іі0/йЧІ.5-2,0о/мин), скорость охлаждения прилитых образцов с сечениями 0,1x0,1x0,16м на порядок выше, возникла необходимость в разработке метода отбора проб чугуна непосредственно из литых заготовок инструмента без их разрушения.
О этой целью автором разработана конструкция полого сверла (рис.2.1), обеспечивающего взятие из отливки круглого керна диаметром 0,012м на необходимую технологическую глубину 0,04-0,045м. Отбор проб производили на сверлильном станке с нерабочей стороны заготовок инструмента.
Разработанный способ отбора проб непосредственно из отливок позволил внедрить в производство поплавочный яеразрушагощий метод контроля структуры как при исследованиях, так и при серийном производстве шарикообкатного инструмента.
Исследования микроструктуры различных типов чугунов производили в литом, отожженном, закаленном и отпущенном состояниях. Исследование механических свойств чугунов проводили на кафедре сопротивления материалов СИМСХ им.М.И.Калинина.
Испытания на растяжении осуществляли в соответствии с ГОСТ 1497-73 [79] на цилиндрических образцах диаметром 0,01м и расчетной длиной 0,05м. Твердость чугуна контролировали по ГОСТ 9012-59 f803 на приборе марки ТШ-2 шариком диаметром 0,01м при нагрузке 30 кН и выдержке Юс. Для закаленных образцов твердость определяли по ГОСТ 9013-59 [81] на приборе марки ТК-2 алмазным конусом при нагрузке 1,5 кН.
Исследование микротвердости структурных составляющих чугуна производили в соответствии с ГОСТ 9450-60 [82] методом вдавливания алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентер 1.10 3кН. чугуна на прокаливаемоеть. В связи с этим, приняв за основу ГОСТ 5657-69 [83J , автором разработан метод испытания легированного чугуна на прокаливаемость. Этот метод использован при исследовании влияния различных элементов на прокаливаемость и закаливаемость чугуна состава шарикообкатного иснтрумента.
Испытание прокаливаемоети чугуна методом торцевой закалки состоит в том, что один торец цилиндрического образца, нагретого до температуры закалки, охлаждают струей воды в специальной установке. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны по высоте образца от водоохлаждаемого торца.
В связи с тем, что ГОСТ 5657-69 устанавливает определение прокаливаемоети сталей непринимающх закалку при охлаждении на воздухе, диаметр образца принят равным 0,025м. Образцы чугуна состава шарикообкатного инструмента при таком диаметре подкаливаются на воздухе. Для устранения подкалкваемости образец для испытания чугуна принят цилиндрической формы диаметром 0,05м и длиной 0,1м с заплечиком на одном конце (рис.2.2).
Установка для закалки состоит из держателя образца и сопла для подачи воды (рис.2.3). Образец закрепляется в установке вертикально торцевой поверхностью над соплом. Установка обеспечивает совмещение продольных осей образца и сопла. Основные геометрические характеристики установки приведены в табл.2.1.
Влияние химического состава на микроструктуру и механические свойства чугуна
Практика производства и эксплуатации шарикообкатного инструмента показывает, что износостойкость последнего зависит в первую очередь от твердости металлической основы и ее сплошности, т.е. отсутствия дефектных мест, служащих центрами концентраций напряжений, приводящих в процессе обкатки шариков к возникновению очагов разрушения рабочих дорожек дисков. В чугунах центрами концентрации напряжений служат дефекты в металлической матрице, образуемые включениями графита. В то же время производительность, определяемая способностью материала инструмента осуществлять процесс микрорезания поверхности шариков, определяется количеством и размером дефектных мест матрицы, зависящих в первую очередь от количества, длины и толщины пластинок графита, образующихся при кристаллизации чусуна.
Рекомендуемый в табл.3.3. состав обеспечивает,преимущественно, достижение оптимальной износостойкости шарикообкатного инструмента,так как при его выборе исходили из результатов влияния последнего на прокаливаемость и закаливаемость. В указанных пределах химического состава чугуна наибольшее влияние на размер и форму графита при кристаллизации оказывает углерод ж иттрий. В соответствии с этим исследовано влияние их на микроструктуру чугуна состава шарикообкатного инструмента.
На рис.3.13 приведены результаты исследований влияния содержания углерода на размеры включений графита и их количество в чугуне состава шарикообкатного инструмента. Повышение содержания углерода с 2,6% до 3,1$ увеличивает размеры включений графита с 90-100мкм до 170-180 мкм при одновременном повы шении количества его в структуре с 4$ до 8$. По результатам исследований, представленных на рис. 3.II и рис.3.13. становится очевидным, что увеличить размер включений графита в шарикообкат-ном инструменте более 180 мкм только путем повышения содержания углерода сверх 3$, одновременно не снижая закаливаемость и прока-ливаемость последнего, практически невозможно.
Из работ [4,53,91,92,93J известно, что введение в расплав чугуна иттрия сильно влияет на форму и размер включений графита. Б связи с этим было проведено исследование влияния иттрия на изменение размеров и формы включений графита в чугуне состава, рекомендуемого табл.3.3.
Как видно из графиков рис.3.14, по мере увеличения количества вводимого в чугун иттрия в интервале от нуля до 0,06$ размер включений графита и их количество практически не изменяется. При дальнейшем увеличении количества вводимого иттрия до 0,10$ длина пластинок графита уменьшается в два раза и на одну четверть снижается его количество. Наибольшее допустимое количество иттрия, обеспечивающее сохранение размеров включений и количества графита при модифицировании чугуна,находится в пределах 0,04-0,06$. Дальнейшее повышение количества вводимого иттрия ведет к резкому уменьшению размеров ж количества графита.
На рис. 3.15. показаны результаты исследований влияния иттрия на временное сопротивление чугуна на разрыв в литом и закаленном состоянии. Прочностные свойства чугуна в литом состоянии при модифицировании иттрием непрерывно повышаются с 240МПа до 4ЮМПа при увеличении количества вводимого в расплав иттрия от О до 0,W%. Прочность чугуна после закалки и отпуска значительно ниже. Так исходный чугун, не модифицированный иттрием, имеет временное сопротивление разрыву 190МПа » а ПРИ введении даже 0,/5% иттрия прочность достигает всего 340МПа..
Увеличение механических свойств чугуна в литом состоянии объясняется рафинированием расплава иттрием по газам и сере, изменением диффузионных процессов, коагуляцией неметаллических включений, в том числе и графита, очищением границ зерен от плен сульфидов окислов, что в конечном итоге приводит к увеличению межкристаллитных связей.
Понижение прочностных свойств чугуна,состава шарикообкатного инструмента,после закалки и низкотемпературного отпуска (табл.1.2) можно объяснить явлением "охрупчивания". Сочетание мартенситяой металлической матрицы с очень низкой пластичностью и графита пластинчатой формы, имеющему тонкие и острые кромки, являющимися готовыми центрами концентраций напряжений при испытании материала на разрыв, приводит к хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение материала шарикообкатного инструмента имеет большое положительное значение в процессе обработки шариков методом обкатки,так как позволяет постоянно обновлять многочисленные острые и твердые режущие кромки на поверхности рабочих дорожек дисков.
На рис.3.16. показана фрактограмма излома чугуна состава шарикообкатного инструмента в литом состоянии. Излом носит вязкий характер. На рис.3.17, представлена фрактограмма того же чугуна после закалки и отпуска. Излом- хрупкий.
Влияние закаливаемости и прокаливаемости чугуна на износостойкость шарикообкатного инструмента
По принятой методике испытания шарикообкатного инструмента на производительность и износостойкость, последняя характеристика измеряется массой шариков, обработанных комплектом дисков между двумя смежными переточками & , хЮ3кГ. На рис., 4.6. представлены результаты исследований автора по износостойкости шарикообкатного инструмента в зависимости от твердости материала последнего и типа обрабатываемых шариков. Математической обработкой экспериментальных результатов исследований выявлена закономерность влияния твердости шарикообкатного инструмента на их износостойкость в зависимости от диаметра обрабатываемых шариков. = (/049/7+(% О 35 92 сС УНЬ"(46, 030393 + 4999 ,22 #J (4.2) где & - износостойкость шарикообкатного инструмента между двумя смежными переточками, в 103кг обработанных шариков; НВ - твердость шарикообкатных дисков; &ш - диаметр обрабатываемых шариков, в дюймах. Из результатов исследований видно, что: Во-первых, износостойкость шарикообкатного инструмента резко возрастает с увеличением его твердости. Так при обработке шариков диаметром один дюйм увеличение твердости с 380 НВ до 430 НВ приводит к повышению стойкости инструмента до 8 раз. Аналогичная зависимость наблюдается и при обработке шариков 7/8", 3/4" и 3/8". Во-вторых, рабочий интервал твердости шарикообкатного инструмента находится в пределах от 400 НВ до 470 НВ. В-третьих, каждому типоразмеру обрабатываемых шариков соответствует свой оптимальный интервал твердости инструмента. С уменьшением диаметра обрабатываемых шариков допустимый интервал твердости инструмента повышается. В связи с этим можно рекомендовать при подборе комплекта шарикообкатного инструмента, изготовленного по разработанной технологии, придерживаться соотношений величины твердости и типа обрабатываемых шариков, приведенных в табл.4.1. износостойкости. Из приведенного исследования становится очевидным влияние прокаливаемости чугуна на износостойкость шарикообкатного инструмента.
Уменьшение прокаливаемости ведет к резкому сокращению износостойкости шарикообкатного инструмента, особенно при обкатке шариков малых диаметроЕ. По результатам исследований, представленных на рис.3.2-3.4, рис.3.12, рис.3.15-3-18 и рис.3.20 - 3.23, видно, что модифицирование чугуна иттрием активно влияет на расплав чугуна, его микроструктуру и физико-механические свойства в литом и термически обработанном состоянии. Исходя из этого можно предположить, что модифицирование чугуна состава шарикообкатного инструмента иттрием должно оказать значительное воздействие на производительность и износостойкость последних.
С этой целью автором были проведены исследования по влиянию количества введенного в чугун иттрия на износостойкость шарикообкатного инструмента между двумя смежными переточками и среднечасовой съем припуска с шариков диаметром 3/8",П/16" и I". Результаты исследований представлены на рис.4.7. Как видно из графиков, износостойкость инструмента зависит от количества введенного в чугун иттрия, и кроме того, от диаметра обрабатываемых шариков. Так для шариков 3/8" износостойкость увеличивается с 0,8«103кг при нулевом вводе иттрия до 3»103кг при 0,08$ иттрия. Для шариков типа 11/16" износостойкость дисков j увеличивается от 1 10 кг обработанных шариков до 5 10 кг при введении 0,08$ иттрия. Соответственно для шариков размером Iй износостойкость дисков повышается с 1,5-108кг до 7,5 103кг. Среднечасовой съем припуска на всех типах обрабатываемых шариков максимален у инструмента, отлитого из чугуна не модифицированного иттрием. При введении в чугун иттрия до 0,06$ падение производительности шарикообкатного инструмента по среднечасовому съему припуска незначительно. При введении в расплав чугуна 0,08$ иттрия начинается заметное падение производительности, достигающее при обкатке шариков диаметром I" до 25- 30$. Как видно из графиков,рис.4.7., модифицирование чугуна иттрием одновременно влияет на две важнейших характеристики шарикообкатного инструмента - на производительность и износостойкость.
Причем влияние это противоположное: с повышением количества вводимого в расплав чугуна иттрия увеличивается износостойкость и снижается производительность шарикообкатного инструмента. Для подтверждения оптимальности вводимого количества иттрия и оценки работоспособности шарикообкатного инструмента автором предложен новый критерий оценки качества инструмента - коэффициент относительной работоспособности К, определяемый как произведение стойкости инструмента между переточками в тоннах обработанных шариков #103кг на среднечасовой съем припуска по диаметру шариков В .KTfyc.
