Введение к работе
Актуальность темы: Одной из основных задач отечественного машиностроения является повышение качества , надежности и долговечности автомобилей при одновременном увеличении их выпуска, снижении массы и себестоимости. Решение этой проблемы неразрывно связано с внедрением более эффективных материалов и технологий, в частности с разработкой методов получения отливок из чугуна с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами В зарубежной и отечественной практике машиностроения для изготовления всевозможных деталей , даже для таких ответственных , какими являются блоки и головки блоков цилиндра, шатуны, поршневые кольца, коленчатые и распределительные валы автомобильных двигателей , с успехом используются чугунные отливки.
Широкое применение чугунов обуславливается уникальным , благоприятным сочетанием их физико-механических и литейных свойств. Достижение высоких эксплуатационных свойств отливок , обусловленных структурой чугуна, возможно только при комплексном подходе , с оценкой и регулирование параметров технологического процесса.
Трудами ученых Гирш'овича Н.Г., Рыжикова А.А., Платонова Б.П., Ланда А.Ф., Вейника А.И., Гуляева Б.Б. и многих других , раскрыты многообразные факторы , влияющие на формирование структуры чугунов. Наиболее важными из них являются те, которые контролируют протекание процессов графитизации и кристаллизации, зависящие от химического состава чугуна , жидкого состояния расплава, скорости охлаждения .режимов.термообработки и других технологических параметров. При этом показано, что с помощью варьирования факторами можно получать различные структуры ,а следовательно, и свойства отливок.
Однако, до сих пор простые и надежные способы контроля „технологиче
ского процесса, включающие в себя одновременную оценку большого количества факторов , влияющих на структуру чугуна и таким образом на механические свойства, не разработаны.
Создание рационального метода контроля и оперативного и комплексного воздействия, управления технологическими процессами литья и последующей обработки чугунных отливок с целью повышения их" эксплуатационных свойств - является основной задачей диссертации.
Дель работы: -разработать надежную методику контроля и регулирования параметров процесса получения высококачественных серых и высокопрочных чугунов ; -разработать методы улучшения и оптимизации технологических и механических свойств чугунов для отливок деталей в автомобилестроении; -установить оптимальные составы и структуры чугунов, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства отливок;
-разработать способы обработки расплавов чугуна, повышающих эффективность процессов рафинирования, модифицирования и легирования чугунов; -усовершенствовать технологические процессы изготовления высококачественных чугунных коленчатых и распределительных валов автомобильных двигателей;
-исследовать влияние режимов термической обработки высокопрочных чугунов на циклическую долговечность коленчатых валов.
Научная новизна:
разработана методика оперативного контроля и регулирования процесса получения качественного чугуна, а также количественной оценки его основных свойств; в методике взаимосвязаны изменения в шихтовом составе, исходном расплаве и расплаве после модифицирования и контроля по отбелу технологических клиньев;
установлены оптимальные составы чугунов и разработаны технологические процессы их получения, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства отливок (А.С 1266892; А.С 1281600);
-установлено оптимальное соотношение комплексных добапок и разработаны способы их получения с заданными свойствами и геометрическими размерами
( А.С 1242535), обусловливающие повышение эффективности процессов рафинирования, модифицирования и легирования чугунов;
-определены и обоснованы оптимальные пределы содержания фильтрующей смеси йзвёстТПГплавйкового шпата ( А.С 1397491), обеспечивающие снижение неметаллических включений и повышение механических свойств серого и ковкого с шаровидным графитом чугунов при обработки смесью расплавов в литниковой системе;
-обоснованы оптимальные режимы термической обработки высокопрочных чугунов и стали 40Х, обеспечивающие увеличение долговечности образцов и коленчатых валов при различных условиях эксплуатации; показано, что независимо от режима предварительной обработки чугунных валов, закалка ТВЧ галтелей значительно повышает их сопротивление усталостному разрушению; -разработана методика оптимизации химического состава и основных технологических свойств чугунов для распределительных валов с целью достижения требуемых свойств и повышения износостойкости кулачков; -установлены оптимальные состав серого чугуна и параметры технологического процесса для изготовления распределительных валов с применением холодильников (температура разливки чугуна, скорости охлаждения рабочих поверхностей кулачков и сердцевины вала, материал кокиля и другие), обусловливающие повышение износостойкости рабочих поверхностей кулачков за счет образования ледебуритной структуры ( А.С 980955).
Практическая ценность работы:
-Разработана технологическая схема и методика получения качественного чугуна и количественной оценки его основных свойств, позволяющая судить о целесоообразности изменения химического состава и состава шихты, замены одного модификатора другим,, определить время действия эффекта модифицирования, повысить прочность отливок и улучшить обрабатываемость чугунов резанием и , в ряде случаев , заменить дорогостоящие легированные чугуны . Предложенная методика нашла широкое внедрение в условиях массового про-
изводства чугунных отливок, массою до 4т и толщиной стенок 6-200 мм . Экономическая эффективность составила 88896 руб. (по расценкам 1984 г для станкостроительных отливок) и 6,9 млрд руб. ( по расценкам 1997 г для автомобильных деталей). Установлен оптимальный состав чугуна ( А.С 1281600) и-разработан технологический процесс получения из него отливок ( лопастей дробеметных машин), не склонных к трещинообразованию и обладающих высокими механическими свойствами (предел прочности до 680 МПа, абразивная стойкость до 220ч; ударная вязкость до 14,0 Дж/см2).
-Установлен оптимальный состав чугуна (авт. св. 1266892) и разработан техно
логический процесс получения из него отливок, имеющих высокую демпфи
рующую способность ( в 4 раза выше) и прочность на изгиб ( до 656 МПа ).В
настоящее время закончены испытания и планируется внедрение резцедержа
телей из чугуна по предложенной технологии в производство (А.С 1281600).
-Разработана технология получения комплексной добавки (КД) для обработки
жидких чугунов ( А.С 1242535) .прошедшая опробование в условиях производ
ства . Она позволяет повысить эффективность рафинирования, модифицирова
ния и легирования чугунов ; способствует снижению количества неметалличе
ских включений и возрастанию механических свойств чугуна. .Кроме того,
снижаются трудо- и энергозатраты, исключается необходимость применения
дорогостоящего специального оборудования, а также обеспечивается возмож
ность получения комплексных добавок в любом виде, в зависимости от того
где и как они применяются ( на струе, в ковше, в форме и т.д).
-Разработана и освоена технология рафинирования чугунов фильтрующей сме
сью извести (50-80%) и плавикового шпата (20-50%) в литниковой системе
(А.С 1397491), повышающая предел прочности в 1,3-1,5 и 1,3-1,9 раза, а отно
сительное удлинение в 3,5-4 и 2-2,3 раза , соответственно, для серого и ковко
го чугунов. _
-Разработана технология изготовления коленчатых чугунных валов, применение которой в производстве ГАЗа обеспечивает получение качественных отливок и деталей для дизельного двигателя с турбонаддувом с высокими и ста-
бильными механическими свойствами (предел прочности более 850 МПа) Экономический эффект от внедрения данной работы составил 9,1 млрд руб. (по
ценам 1997 г). . . . .._ _.;;i
-Разработан технологический процесс изготовления сухих тонкостенных оболочковых форм (двух- и однослойных) для распределительных валов, позволяющих получать более мягкую сердцевину вала и меньшую склонность её к отбелу, по сравнению с обычной объемной сырой формой. -Установлены оптимальные химический состав и параметры технологических процессов изготовления распределительных валов из серого чугуна 1 (А.С 980955) с повышенной износостойкостью носиков кулачков. Экономический эффект выражается в увеличении продолжительности эксплуатации валов в 2-3 раза и составляет 12,59 млрд. руб.( по ценам 1997 г)
Основные положения, выносимые на зашиту -технологическая схема регулирования и надежного контроля процесса получения качественного чугуна, а также количественной оценки его основных параметров , в которой взаимосвязаны изменения в шихтовом составе, исходном расплаве и расплаве после модифицирования, факторов времени и контроля по отбелу технологических клиньев; . . ..<
-установленный состав чугуна для отливок лопастей дробеметных машин ( в % С 2,4-3,2; Si 0,2-1; Мп 0,2-0,8;Сг 12-20; V 1-4; Си 0,5-2,4; Ті 0,1-0,4; Се 0,03-0,08; А1 0,1-1; В 0,005-0,08; N 0,01-0,08 и Fe- остальное) и разработанный технологический процесс его получения (А.С 1281600), обеспечивающие повышение предела прочности до 680 МПа, абразивной стойкости до 220ч и ударной вязкости до 14,0 Дж/см2;
-установленный состав чугуна для отливок резцедержателей (в %: С 3,5-4; Si 2,4-3; Мп 0,4-0,9; Си 0,1-0,4; РЬ 0,1-0,2; Р 0.25-0,4; Ва 0,03-0,05; Zr 0,001-0,01; Fe - остальное) и разработанный технологический процесс его получения ( А.С 1266892), обеспечивающие повышение демпфирующей способности до 4 раз и прочности на изгиб до 656 МПа;-
-установленное оптимальное соотношение компонентов комплексных добавок
( в%: кремнийсодержащие составляющие 15-79,9; активный наполнитель .
0,1-65; жидкое стекло 20-60) и разработанные способы их получения.,'
( А.С 1242535) с заданными свойствами, обусловливающие повышение эффек-
тив-ности процессов рафинирования, модифицирования и легирования чугу
нов; :-.-..:.'. .;:: . ; . .; . -. -,. .-„ ,...-,-...,--,::и -,v,.--:0 -":..' ' - -.::
-обоснованные оптимальные пределы содержания в фильтрующей смеси извес
ти (50-80%) и плавикового шпата (20-50%) и разработанные способы обра
ботки расплава в литниковой системе (А.С 1397491), обеспечивающие повы
шение механических свойств серого и ковкого с шаровидным графитом чугу
нов; ..-.....'.:; ... .-:..»...,:. -.-:-,1.--.:...--..^. .—..,-..;:.: :--_..;:''
-обоснованные оптимальные режимы обработки высокопрочных чугунов
(ВЧ 70; ВЧ 85), обеспечивающие увеличение циклической долговечности ко
ленчатых валов; '': .. ; ' . .:.: ?.г.:..,: ' - v; .-.,-....; . - . -.-...
-разработанную технологию изготовления коленчатых валов из высокопроч
ных чугунов для дизельного двигателя с турбонадцувом, обеспечивающую их
стабильные механические свойства; :,.':-''-. -.. ;.: -v- j. - ;.:.:
-оптимизацию химического состава чугунов и основных технологических па
раметров для отливки распределительных валов , с целью получения требуе
мых свойств валов и повышения износостойкости кулачков, методом матема
тического планирования эксперимента; '..,;".," ] .'.'; А. ..''..
-установленные химический состав чугуна ( в %: С 3,2-3,5; Мп 0,7- 0,9; Si 1,9-
2,2; S 0,08-0,12; Сг 0,2-0,3;. ОДР; Ni 0,1-0,2; Fe- остальное) и параметры техно
логического процесса изготовления распределительных валов из серого чугуна
( А.С 980955) с повышенной износостойкостью рабочих поверхностей кулач
ков; ::':".',-/:.';. j ..Г. А А-'-.:".:: ' AAA "' :;',0 ;'.'::..''-'^.' :1.-" ".- А'
_гразработанные -технологические процессы изготовления распределительных
-валов в тонкостенных оболочковых формах ."vA:> .{LviAuLl "." .-'. - .:,:.-.--.
Апробация работы:" Основные результаты ^докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:" Проблемы машиноведения",
8.
Г.Н.Новгород, НФ ЙМЛШ РАН, 1997 г;"Прогрессивные методы получения отливок ", г.Горький , 19S3r;. "Пути совершенствования литейной технологии" , г.Горький ,1934г; Неметаллические включения и газы ", г.Запорожье ,1985г... «Совершенствование технологических процессов и повышения качества отливок из чугуна и цветных сплавов» , г.Андропов, 1984г.;«Пути повышения качества литых заготовок в машиностроении» , г.Горький ,1985 г.;"Прогрессивная технология получения отливок", Горький , 1987г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 17 печатных работах и 7 авторских свидетельствах. Всего опубликована 24 научных работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-ния.четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы (135 наименований) и приложения.включающего таблицы, рисунки и акты внедрения