Введение к работе
Актуальность. Особенностью существующего производства чугунных втулок цилиндров судовых дизелей в условиях ЗАО «Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» (ЗАО «УК «БМЗ») является необходимость строгого соблюдения требований технических условий (ТУ) по химическому составу, микроструктуре и механическим свойствам материала в широком диапазоне (80…150 мм) толщин стенок этих изделий. Отливки втулок изготавливают из низколегированных чугунов с пластинчатым графитом лицензионного химического состава с перлитной металлической основой и с временным сопротивлением разрыву при растяжении (sв) не менее 245 МПа в теле отливки.
Анализ данных по отбраковке отливок показывает, что существующая технология литья не обеспечивает стабильного получения требуемых в ТУ показателей их качества, что связано в первую очередь с особенностями их затвердевания в литейной форме. Среди основных видов брака наиболее значительными являются усадочная пористость, а также несоответствие микроструктуры и механических свойств чугуна. В связи с этим задача разработки технологии изготовления этих отливок с заданными характеристиками остается актуальной.
Между тем требования к механическим свойствам чугуна отливок судовых дизелей в последние годы растут. Требуется уже не только повышение прочности чугуна (sв более 300 МПа), но и повышение его пластических характеристик. Таким образом, ставится задача не только снизить брак отливок и обеспечить стабильное получение структуры и механических свойств чугуна в них, но и разработать новые технологические решения, обеспечивающие повышение прочности чугуна до требуемого уровня.
Цель работы. Разработка технологии изготовления крупнотоннажных втулок цилиндров судовых дизелей с повышенным уровнем прочностных характеристик.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставились следующие задачи:
-
Исследование особенностей кристаллизации массивных отливок цилиндровых втулок в условиях существующего производства на примере отливки втулки цилиндра судового дизеля ДБ72 с использованием метода компьютерного моделирования.
-
Исследование реальных параметров кристаллизации разных типов отливок цилиндровых втулок судовых дизелей в литейных формах существующего производства.
-
Разработка математических моделей влияния химического состава на усадку втулочного чугуна и выбор рациональных химических составов чугунов для цилиндровых втулок судовых дизелей.
-
Разработка новой конструкции литейной формы и параметров литья, обеспечивающих направленное затвердевание отливок и регулируемое их охлаждение в литейной форме в интервале эвтектоидного превращения.
-
Разработка и освоение технологии получения чугуна с вермикулярным графитом, обеспечивающего перспективу повышения прочностных свойств крупнотоннажных втулок судовых дизелей.
Научная новизна
-
С использованием метода компьютерного моделирования и на основании результатов экспериментальных исследований установлены закономерности затвердевания и параметры кристаллизации разных типов крупнотоннажных чугунных отливок цилиндровых втулок в условиях действующего производства.
При этом показано, что образование усадочных дефектов в тепловых узлах отливок обусловлено недостаточной эффективностью работы питающей прибыли и разной скоростью затвердевания отдельных частей разностенной отливки в литейной форме.
-
На основании выявленных закономерностей разработана новая конструкция литейной формы и параметры литья крупнотоннажных цилиндровых втулок, обеспечивающие направленное затвердевание и получение качественных без усадочных дефектов отливок, перлитную структуру и повышенные прочностные характеристики чугуна в рабочей зоне стенки втулки.
3. Разработаны новая технология получения чугуна с вермикулярной формой графита и параметры охлаждения отливки в литейной форме в интервале эвтектоидного превращения, обеспечивающие повышение прочностных характеристик (в 300МПа) крупнотоннажных втулок цилиндров судовых дизелей.
Практическая значимость
-
С привлечением математического метода планирования эксперимента выбраны рациональные химические составы втулочных чугунов, обеспечивающие в отливках массой от 4,0 до 7,5 тонн с толщиной стенок соответственно от 100 до 150 мм стабильное получение заданной структуры и прочностных свойств металла.
-
Разработаны графические зависимости (номограммы) влияния химического состава на объемную усадку низколегированных чугунов с пластинчатым графитом, которые могут быть использованы для оценки склонности чугуна к образованию усадочных дефектов.
-
Для реализации новой конструкции литейной формы подобраны составы формовочных смесей для изготовления частей формы, обеспечивающие по своим теплофизическим свойствам (коэффициенту тепловой аккумуляции тепла) направленное затвердевание и получение качественных без усадочных дефектов отливок.
-
Разработан новый способ модифицирования исходного расплава, обеспечивающий получение чугуна с вермикулярной формой графита и повышенными прочностными характеристиками. Этот материал обладает сочетанием высоких прочностных и теплофизических свойств и может быть использован для широкого круга отливок, в том числе для крупнотоннажных отливок цилиндровых втулок судовых дизелей, с целью повышения механических характеристик изделий.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается:
- применением комплекса современных методов исследования и анализа чугунов, в том числе компьютерного моделирования процесса кристаллизации и электронной микроскопии;
- использованием аттестованной измерительной и испытательной аппаратуры;
- обработкой экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики;
- согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов, натурных и эксплуатационных испытаний отливок.
На защиту выносятся:
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей затвердевания и параметров кристаллизации разных типов крупнотоннажных чугунных отливок цилиндровых втулок в условиях действующего производства.
-
Новая конструкция литейной формы и параметры литья крупнотоннажных цилиндровых втулок, обеспечивающие направленное затвердевание и получение качественных без усадочных дефектов отливок, перлитную структуру и повышенные прочностные характеристики чугуна в рабочей зоне стенки втулки.
-
Новая технология получения чугуна с вермикулярной формой графита и параметры охлаждения отливки в литейной форме в интервале эвтектоидного превращения, обеспечивающие повышение прочностных характеристик (в 300 МПа) крупнотоннажных втулок цилиндров судовых дизелей.
-
Результаты выбора рациональных химических составов втулочных чугунов с пластинчатым графитом, обеспечивающих в отливках массой от 4,0 до 7,5 тонн с толщиной стенок соответственно от 100 до 150 мм стабильное получение заданной структуры и прочностных свойств металла.
-
Графические зависимости (номограммы) влияния химического состава на объемную усадку низколегированных чугунов с пластинчатым графитом, которые могут быть использованы для оценки склонности чугуна к образованию усадочных дефектов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на «IX съезде литейщиков России» (Уфа, 2009 г.), региональных и международных научно-технических конференциях «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008 г.), «Наука и производство – 2009» (Брянск, 2009 г.), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009 г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 5 в изданиях и журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение № 2427660.
Личный вклад автора заключается в постановке и решении задач, поставленных в данной работе, в разработке методик проведения экспериментов, в анализе экспериментальных данных, позволивших обосновать основные положения научной новизны и практической значимости, а также в непосредственном участии во внедрении полученных результатов при промышленном производстве отливок цилиндровых втулок судовых дизелей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 118 наименований. Она содержит 121 страницу текста, 61 рисунок и 28 таблиц.
