Вдосконалення технології виробництва маслотних виливків поршневих кілець із високоміцного чавуну для дизельних двигунів тепловозів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

БОРОВИК Микола Васильович

УДК 621.746.6.04.669

Вдосконалення технології виробництва маслотних виливків поршневих кілець з високоміцного чавуну для дизельних двигунів тепловозів

Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів Національної Академії Наук України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Шинський Олег Йосипович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ст. наук. співробітник

Моісєєв Юрій Васильович

Фізико-технологічний інституті металів та сплавів НАН України, зав. відділом

кандидат технічних наук, доцент

Косячков В'ячеслав Олександрович

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

МОН України, доцент

Провідна установа Харківський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра ливарного виробництва, м. Харків.

Захист відбудеться 28.09. 2006 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, за адресою

03680 м. Київ-142, ГСП, бул. Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України,

за адресою м. Київ, бул. Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий 27.08.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01

доктор технічних наук М.І. Тарасевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високоміцний чавун з кулястим графітом (ЧКГ) характеризується поєднанням високих технологічних, фізико-механічних, експлуатаційних характеристик і успішно використовується замість різних марок сталі, ковкого та сірого чавунів. Аналіз накопиченого досвіду виробництва виливків із ЧКГ засвідчує стабільну тенденцію розширення використання цього конструкційного матеріалу, в тому числі для поршневих кілець (ПК) дизельних двигунів великої потужності замість легованого сірого чавуну. До матеріалу ПК, які суттєво впливають на експлуатаційні та економічні показники роботи двигунів, традиційно висуваються жорсткі вимоги по хімічному складу, структурі та рівню твердості, міцності та пружності.

Для гарантованого забезпечення технічних вимог стандарту до складу ЧКГ для ПК вводять Ni, Cu, Mo, Cr, тощо; але зазвичай рівень легування чавуну необґрунтовано завищують, і доводиться проводити тривалу термічну обробку виливків, завдяки чому підвищується собівартість продукції. Наприклад, ЗАТ "Ремдизель" (м. Київ) виготовляє ПК з високоміцного чавуну при вмісті легуючих елементів, який досягає, %: 1,2 Mn, 0,4 Cr, 0,8 Cu, 1,2 Ni, 0,8 Mo; через високу концентрацію карбідостабілізуючих елементів (марганцю, хрому, молібдену) литі заготівки кілець кристалізуються із карбідами (25-40%), розпад яких досягається високотемпературною обробкою на протязі 6-10 годин.

Одним із прогресивних процесів виготовлення заготівок ПК (маслотних виливків) є відцентрове лиття в виливницю, при якому метал у виливках має структуру при відсутності ливарних дефектів. Відцентровий метод виготовлення виливків дозволяє впливати на структуру чавуну по перерізу маслот шляхом введення модифікаторів на робочу поверхню виливниці, що обертається, перед заливкою у відцентрову форму розплаву чавуну. Основними факторами регулювання структури у виливках з ЧКГ є режими сфероїдизуючого та графітизуючого модифікування і так само хімічний склад, кількість, спосіб та черговість введення присадок в чавун та умови твердіння металу по перерізу виливки.

Тому дослідження, спрямовані на вдосконалення технологічних процесів одержання відцентровим методом заготівок поршневих кілець з високоміцного чавуну для дизельних двигунів, шляхом оптимізації хімічного складу, способів модифікуючої обробки та режимів термічної обробки виливків, є актуальними.

Робота по темі дисертації виконувалась відповідно до програми НДР Фізико технологічного інституту металів та сплавів НАН України по темі № 1.6.5.464 "Підвищення ефективності модифікуючого впливу на структуроутворення, механічні та службові характеристики високоміцних чавунів" (№ Держреєстрації 0100 U 003557), термін виконання 2000-2003р.р.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є покращення техніко-економічних показників та підвищення якості чавуну з кулястим графітом у маслотних виливках поршневих кілець для дизельних двигунів тепловозів при відцентровому литті в кокіль за рахунок, головним чином, використання раціональних режимів модифікування, оптимізації хімічного складу металу та скорочення режимів термічної обробки виливків.

Для досягнення цієї мети в роботі були вирішені наступні задачі:

вплив типу (лігатури, брикети) та хімічного складу модифікаторів, що містять магній, на литу структуру ЧКГ в умовах високих швидкостей кристалізації, які характерні для відцентрового способу виробництва виливків, і визначити оптимальні режими сфероїдизуючого модифікування;

- дослідити та оптимізувати режими графітизуючого модифікування (хімічний, фракційний, склад, витрати присадок) розплаву чавуну у ливарній формі (виливниці), що обертається, вивчити структуру ЧКГ по перерізу відцентрово литих заготівок;

- вивчити характер впливу на структуру чавуну товщини, компонентного складу та способу нанесення на виливницю відцентрової машини теплоізолюючого покриття;

- дослідити вплив концентрації легуючих елементів на мікро- і макроструктуру металічної основи ЧКГ у виливках та після їх термічної обробки;

- вивчити фізико-механічні характеристики легованого ЧКГ, визначити раціональний хімічний склад чавуну для поршневих кілець дизельних двигунів;

- розробити та випробувати ефективну технологію виробництва маслотних виливків поршневих кілець в умовах промислового підприємства.

Об'єкт дослідження - технологічний процес виготовлення виливків з високоміцного чавуну при відцентровому способі лиття.

Предмет дослідження - параметри, які впливають на структуру та фізико-механічні властивості високоміцного чавуну у маслотних виливках поршневих кілець при відцентровому литті.

Методи дослідження. Хімічний склад чавуну та модифікаторів вивчали хімічним та спектральним методами, а розподіл елементів складу в перерізах відцентрово виготовлених виливків - з використанням електроннозондових мікроаналізаторів РЕММА-2 і МАР-3. Металографічні дослідження структури чавунів проводили на оптичному мікроскопі МИМ-8. Субструктуру чавунів визначали на електронному мікроскопі ЭМ-125К (збільшення 12 000 разів). Для вивчення механічних властивостей ЧКГ відливали стандартні клиноподібні проби (ГОСТ 7293-85), з яких вирізали зразки діаметром 10 мм і 5-разовою розрахунковою довжиною. В зв'язку з великою кількістю експериментів, структуру чувуну більшості з них вивчали в пробах круглого перерізу різного диаметру, мм: 5, 10, 20, 25, 30, 40. В цих пробах по кривих охолодження визначали швидкість охолодження розплаву, яка складає, град/с: 11,5; 4,5; 2,5; 1,5; 1,0; 0,6, відповідно. Запис кривих охолодження (в температурному інтервалі від початку евтектичного до завершення евтектоїдного перетворення) проводили на електронному потенціометрі КСП-4 з використанням платино-платинородієвих термопар занурення ПП-1. Механічні властивості (межа міцності ув, межа плинності у0,2) отриманих зразків вивчали на розривній машині Р-10, машині для визначення пружності МИП-10 (100) та визначення узгин. проводили на машині РМП-50. Твердість визначали на твердомірі ТРК 5004. Натурні випробування ПК проводились за програмою-методикою ПМУЗ.015-50106-00019-01, безпосередньо на стендовому двигуні, що дозволяє найбільш повно відтворити експлуатаційні навантаження та режими.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у всебічному вивченні основ процесів модифікування, які дозволяють прогнозувати та підвищувати якість ЧКГ у виливках, насамперед, в умовах високих швидкостей кристалізації.

Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є такі:

- всебічно досліджена ефективність модифікування при обробці високоміцного чавуну модифікаторами у вигляді брикетів (ДСТУ 3361-96), які отримують пресуванням матеріалів дрібних (до 2 мм) фракцій (порошкових, відходів феросплавів, тощо). Аналіз результатів доводить, що при збільшенні в брикеті Mg з 5 до 20% процес модифікування прискорюється в середньому в півтора рази. Виявлені особливості розплавлення та засвоєння модифікуючих брикетів в розплаві чавуну в залежності від їхньої щільності, компонентного й фракційного складу. Найбільш повне засвоєння брикету отримано при вмісті в ньому 10% Mg;

- для відцентрового методу виробництва виливків із ЧКГ досліджений характер розплавлення модифікатора при нанесенні його на поверхню форми, яка обертається, та показано, що істотним фактором регулювання литої структури чавуну по перерізу виливки є фракційний склад модифікатора;

- отримано математичну залежність особливостей структури, яка дозволяє прогнозувати структуру ЧКГ у виливках з високими швидкостями охолодження шляхом регулювання концентрації в металі марганцю, міді, нікелю:

Ф = 32,926 + 8,137 х Si - 122,622 х Mn - 37,948 х Cu - 5,959 х Ni +

+ 67,461 х Mn2 + 15,814 х Cu2 - 8,124 х Si х Cu + 69,356 х Mn х Cu,

де: Ф - кількість фериту, % (решта до 100 % - перліт)

Si, Mn, Cu, Ni - вміст елементів в чавуні, % (в масових частках).

Аналіз отриманих даних показав, що в умовах високих швидкостей охолодження виливки з ЧКГ твердіють без відбілу при 0,7-0,75%Mn, а кількість Cu и Mn може досягати по 0,8% кожного при мінімальному вмісті Cr (до 0,05%).

Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених досліджень та експериментів склали основу вдосконаленої технології виробництва відцентровим методом маслотних виливків поршневих кілець із високоміцного чавуну з кулястим графітом, в першу чергу для потужних дизельних двигунів тепловозів. В порівнянні з серійною технологією, яка використовується на ЗАТ “Ремдизель”, розроблений технологічний процес забезпечує високу якість металу у відповідності з вимогами стандарту до поршневих кілець дизелів по всіх контрольованих показниках. Крім того, за рахунок значного зменшення в чавуні концентрації дефіцитних та вартісних елементів (до 0,28% Мо, 0,550,92% Ni, 0,10,24% Cr), знижені енерговитрати на нормалізацію та гартування з відпуском. Все це забезпечує економічний ефект в розмірі 2 335,07 грн. на кожній тоні литва.

Особистий внесок здобувача.

У наукових матеріалах, які представлені до захисту, дисертантові належить:

- аналіз літературних джерел за напрямком дослідження;

- визначення шляху удосконалення технології виготовлення маслотних виливків поршневих кілець з ЧКГ;

- технологія отримання високоміцного чавуну з кулястим графітом при використанні сфероїдизуючих модифікаторів у вигляді брикетів;

- вибір експериментальних методів дослідження;

- проведення експериментальних плавок чавунів;

- металографічні дослідження структури чавуну під впливом модифікуючої та легуючої обробки розплаву металу;

- обробка й інтерпретація результатів досліджень якості чавуну у дослідних маслотних виливках, а також у поршневих кільцях;

- промислова апробація оптимальної технології виготовлення маслотних виливків з ЧКГ та проведення стендових випробувань отриманих поршневих кілець.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: Міжнародному науково-технічному конгресі “Ливарне виробництво в новому сторіччі - як перемогти в конкуренції” - м. Київ, ФТІМС, НАНУ червень 2002 р.; Науково практичній нараді “Академічна наука - залізничному транспорту України” - м. Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ , червень 2003 р; Міжнародному науково-технічному конгресі “Ливарне виробництво: високоякісні виливки на основі ефективних технологій” - м. Київ ФТІМС НАНУ, червень 2004 р.; конференції “Економічний шлях до високоякісного литва” - м. Запоріжжя, червень 2005 р.

Публікації.

Результати дисертації викладені в 10 публікаціях, у тому числі - сім статей у фахових журналах, чотири з яких рекомендовані ВАК України та три за матеріалами конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів основної частини, висновків та додатків. Обсяг дисертації - 175 стор., додатків 7 стор. Дисертація містить 23 рисунки, 24 таблиці та 127 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державній тематиці, розкриває мету, задачі, об'єкт, предмет і методику дослідження, обґрунтовує наукову новизну та практичне значення отриманих результатів; наведені відомості про апробацію та особистий вклад здобувача у виконану роботу.

У першому розділі проаналізовані відомі технологічні вирішення по отриманню виливків з ЧКГ відцентровим способом, який є найбільш раціональним і поширеним для виготовлення заготівок поршневих кілець (маслот) двигунів.

Розглянуті особливості кристалізації металу при відцентровому литті та проаналізовані основні чинники впливу на якість виливків.

Оскільки однією з головних проблем відцентрового кокільного лиття є значна різниця в параметрах структури чавуну по перерізу виливка, вивчали методи теплоізоляції металевої (чавун) виливниці, яка формує зовнішню поверхню заготівки. Розглянуті типові склади та способи нанесення на виливницю теплоізолюючих покриттів та флюсів. Показано, зокрема, що використання покриттів у вигляді фарби або сипучих матеріалів замість вставних стержнів є більш ефективним як по продуктивності та собівартості виливків, так і у відношенні можливостей регулювання литої структури та властивостей чавуну.

У другому розділі викладена методика досліджень. Наведена інформація про технологічні режими виплавки дослідних ЧКГ. Використовували модифікатори з магнієм у вигляді лігатур та брикетів різного хімічного складу - як стандартні, так і спеціально виготовлені. Хімічний склад чавуну та модифікаторів визначали хімічним та спектральним методами з використанням сучасних приладів.

Структуру чавуну досліджували по перерізу відцентрових виливків - маслот (товщина стінок в межах 18-32 мм, маса 14,5-46,5 кг), а також в окремо відлитих (в сирі стаціонарні форми) пробах різного діаметру, мм: 5, 10, 20, 25, 30, 40; в цих пробах по кривих охолодження визначили швидкість охолодження металу, яка становить, град/с: 11,5; 4,5; 2,5; 1,5; 1,0; 0,6 відповідно. Криві охолодження записували на потенціометрі КСП-4 з використанням платино-платинородійових термопар занурення ПП-1. Шляхом співставлення мікроструктури чавуну у виливках та пробах встановлено, що швидкість охолодження металу в маслотах знаходиться в указаних межах.

Для вивчення мікроструктури чавуну використовували оптичний мікроскоп МИМ-8. При цьому параметри структури графіту та металевої основи визначали згідно з ГОСТ 3443-87, а оцінку форми графітових вкраплень (ступінь кулястості графіту - СКГ) - з допомогою шкали еталонних мікроструктур (розробка ФТІМС НАНУ). Дослідження впливу хімічного складу на субструктуру легованих чавунів проводили на електронному мікроскопі ЄМ-125К.

Для визначення механічних властивостей чавуну відливали стандартні клинові заготівки (ГОСТ 7293-85), з яких вирізували зразки діаметром 10 мм з 5-кратною розрахунковою довжиною.

Випробування поршневих кілець на відповідність технічним вимогам проводили по стандартним методикам (ГОСТ 621-87).

У третьому розділі розглянуті питання оптимізації режимів отримання ЧКГ шляхом, насамперед, використання модифікаторів з мінімальною карбідоутворюючою здатністю. Досліджені сфероїдизуючі модифікатори двох видів: 1) лігатури різного хімічного складу на основі кремнію, заліза, нікелю, міді з активними елементами (кальцій, барій, РЗМ); 2) брикети з різним вмістом магнію, заліза, міді, феросиліцію, алюмінію, тощо. Побудовані графічні залежності параметрів структури чавуну від швидкості охолодження виливків (в межах 0,6-11,5 град/с) при концентрації в складі лігатур елементів (%, не більше): 90 міді, 90 нікелю, 12 марганцю, 48 кремнію, 42 заліза, 4 кальцію, 4 барію, 4 РЗМ. Показано, зокрема, що противідбілююча дія кальцію та барію (по 2-4 % кожного), а також РЗМ (на рівні 1 %) найбільш істотна при високих (більше 2,5 град/с) швидкостях охолодження, які характерні для відцентрового методу виготовлення виливків. Відмінності литої структури ЧКГ, які викликані складом сфероїдизуючих лігатур, значно (в 2-4 рази по кількості цементиту) звужуються після проведення графітизуючого модифікування розплаву чавуну.

Досліджена ефективність сфероїдизуючих модифікаторів у вигляді брикетів, які отримані методом пресування сумішей відповідних шихтових матеріалів дрібних (до 2 мм) фракцій. Модифікатори - брикети виготовлені в Інституті проблем матеріалознавства НАНУ по його технології, їхній компонентний склад знаходився в межах, %: 5-20 магнію порошкового фрезерованого, 0-95 заліза порошкового, 0-80 феросиліцію ФС75 (або лігатури на основі кремнію та заліза типу КМг), 0-80 міді порошкової, 0-20 алюмінію, а також до 5 % графіту та до 5 % флюсу. Брикети мали циліндрову форму (діаметр 10-80 мм) та масу від 5 до 250 г. Щільність брикетів визначається найперше компонентним складом, а також залежить від їхньої маси та тиску пресування.

Брикетовані модифікатори випробували в однакових умовах: розмішували на дні ковша (сендвіч-процес), вихідний чавун (%: 3,7 С; 2,1 Si; 0,03 S) заливали в ківш при температурі 1450 10 С.

Всі вивчені варіанти брикетів забезпечили отримання ЧКГ (МКГ 85 %) при витратах в межах 1-2 % в залежності від складу, маси та щільності.

Тривалість розплавлення брикетів в чавуні (реакція модифікування) знаходиться в зворотній залежності від їхньої маси, що пов'язано зі збільшенням товщини. Для брикетів з однаковими параметрами (діаметр 30 мм, маса 25 г) результати експериментів по вивченню кінетики розплавлення та засвоєння їх в чавуні наведені на рис. 1. При збільшенні в складі брикету магнію від 5 до 20 % процес модифікування прискорюється майже в півтора рази. Аналогічно діє підвищення в брикеті концентрації феросиліцію за рахунок заліза. При заміні (частковій чи повній) заліза на мідь брикети розплавляються швидше як при наявності в своєму складі флюсу СаF2, так і без нього. Алюміній скорочує тривалість розплавлення, причому цей ефект найбільше виявлений для брикетів композиції магній-залізо-алюміній. При введенні до складу брикетів 3-5 % СаF2 процес їхнього розплавлення в чавуні незначно прискорюється незалежно від компонентного складу цих модифікаторів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Вплив компонентного складу модифікаторів - брикетів на тривалість їхнього розплавлення та засвоєння в чавуні.

Mg	5	10	20	10	10	10	10	10	20	10	10	10	10
Fe	95	90	80	87	65	50	5	70	-	80	40	80	-
FeSi	-	-	-	-	20	40	80	-	-	-	40	-	-
Cu	-	-	-	-	-	-	-	20	80	-	-	-	80
Al	-	-	-	-	-	-	-	-	-	10	10	-	-
C	-	-	-	-		-	-	-	-	-	-	5	5
CaF2	-	-	-	3	5	-	-	-	-	-	-	5	5

Між тривалістю розплавлення та засвоєння брикетів в чавуні немає однозначної залежності. Найвищий показник засвоєння брикету (по ступеню засвоєння в чавуні магнію в його складі) досягнуто при 10 % цього елементу. Брикети на основі міді засвоюються значно краще, ніж на основі заліза. Алюміній в складі брикетів як на основі заліза, так само заліза і кремнію, істотно не впливає на рівень їхнього засвоєння в чавуні.

Виконана порівняльна оцінка ефективності досліджених модифікаторів (лігатур та брикетів) різних складів по їхньому впливу на литу структуру ЧКГ у виливках з високою швидкістю охолодження.

Показано (рис. 2), що карбідоутворююча здатність брикетів композиції магній-феросиліцій-залізо значно менша ніж лігатур на основі кремнію та заліза; це, ймовірно, слід пояснити інокулюючою дією дисперсних компонентів (залізо, феросиліцій) в складі брикетів, які в розплаві чавуну відіграють роль центрів графітизації. При заміні феросиліцію на Mg-Si-Fe лігатуру (типу КМг або ФСМг) в складі брикетів сфероїдизуючий вплив останніх на структуру чавуну підсилюється, що дозволяє зменшувати витрати цих модифікаторів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Залежність кількості цементиту в структурі ЧКГ від швидкості охолодження виливків при використанні модифікаторів - лігатур (№№ 1-7; суцільні лінії) та брикетів (№№ 8-10 строкаті лінії) різних композицій складу:

1- Mg-Si-Fe; 2 - Mg-Si - Ca - РЗМ - Fe;

3 - Mg-Cu; 4 - Mg - Ni;

5 - Mg-Cu - Ni - Mn - Al - Fe;

6 - Mg - Cu - Si - Fe;

7 - Mg - Cu - Si - Ca - Ba - Fe;

8 - Mg - Fe; 9 - Mg - Fe - FeSi;

10 - Mg - Cu - CaF2;

При використанні модифікаторів - брикетів замість лігатур аналогічного складу собівартість операції модифікування при одержанні ЧКГ в середньому на 20-25 % знижується (табл. 1).

Таблиця 1

Порівняльні показники технології одержання та використання модифікаторів - брикетів та лігатур

Показник	Лігатура	Брикет
Витрати електроенергії при одержанні, кВтгод/т	1300 200	120 20
Засвоєння магнію при одержанні, %	70 20	100 - 1
Інтервал по вмісту магнію в марці модифікатора (по різниці), %	2 1	0,2 - 0,1
Відходи при подрібненні модифікатора, %	20 15	0
Відносні витрати при обробці чавуну, %	100	80 5
Відносна собівартість при одержанні, %	100	70 10
Відносна собівартість при використанні, %	100	75 5

У четвертому розділі наведені результати досліджень графітизуючого модифікування чавуну, товщини та складу теплоізолюючого покриття виливниці відцентрової машини. Використовували такі феросплави: 1) феросиліцій ФС75 (склад, %: 73 Si; 1,6 Al; 0,2 Ва; 0,6 Са); 2) феросиліцій з барієм ФС65Ва4 (%: 66 Si; 1,8 Al; 4,5 Ва; 0,7 Са); сплав FeSiВаСа (%: 65 Si; 2,8 Al; 2,0 Ва; 1,8 Са). Сфероїдизуючу обробку вихідного чавуну проводили в ковші лігатурами трьох типів: NiCuMg (%: 45-45-10); КМг (%: 6,5 Mg; 0,8 Са; 0,3 РЗМ; 46 Si ; решта Fe); ЖКМК (%: 6,8 Mg; 4,2 Са; 3,0 РЗМ; 48 Si; решта Fe ). Розплав ЧКГ (середній склад, %: 3,5 С; 2,9 Si; 0,55 Mn; 0,45 Ni; 0,55 Cu; 0,045 Mg) графізизуючими модифікаторами (фракції менше 1,5 мм) обробляли різними способами: в ковші; в струмені металу при заливці його у відцентрову форму; введенням присадок (перед заливкою розплаву чавуну) на поверхню виливниці відцентрової машини в процесі її (виливниці) обертання. Експериментально показано, що при розміщенні сплавів на основі феросиліцію рівномірним шаром на робочій поверхні виливниці досягається найповніше їхнє засвоєння в об'ємі металу, який заливається у відцентрову форму. При цьому по впливу на зменшення долі цементиту в структурі чавуну у виливках витрата, наприклад, ФС75 в кількості 0,3 % маси оброблюваного розплаву чавуну є більш ефективною, ніж 0,8 % цього сплаву при модифікуванні в ковші або в струмені чавуну в процесі заливки форм. Сплави ФС65Ва4 та FeSiВаСа завдяки підвищеному вмісту кальцію та барію проявляють більший, в порівнянні з ФС75, інокулюючий ефект при різних методах обробки ними розплаву. При графітизуючому модифікуванні у відцентровій формі інтенсивність зниження рівня відбілу найбільш помітна в зовнішній зоні перерізу виливка, особливо при використанні сфероїдизуючої лігатури без кремнію (рис. 3). Збільшення витрати сплаву FeSiВаСа до 0,8 % дозволяє одержати практично безкарбідну структуру ЧКГ по всьому перерізу виливків навіть при наявності в складі металу значних концентрацій сильних карбідоутворюючих елементів: 0,65 % молібдену; 0,25 % хрому; 0,9 % марганцю.

Рис.3. Вплив складу графітизуючого модифікатора на структуру ЧКГ в перерізі виливка при використанні лігатури Ni Cu Mg (1) та КМг (2)

______ феросиліцій ФС75

_ _ _ _ _ сплав FeSiBaCa

Вирівнянню структури чавуну у виливках сприяє використання для обробки в ливарній формі модифікаторів на основі феросиліцію з різним фракційним складом; наприклад, для виливків з товщиною стінки на рівні 25-30 мм найбільш ефективні фракції в межах 0,1-3 мм.

У п'ятому розділі розглянуті питання оптимізації хімічного складу ЧКГ для поршневих кілець. Обґрунтовано вибір легуючих елементів. В результаті обробки на ЕОМ результатів експериментів розроблено рівняння регресії, яке дозволяє, регулюючи вміст легуючих елементів прогнозувати структуру ЧКГ в умовах високих швидкостей кристалізації, які характерні для маслотних виливків при відцентровому методі виготовлення. Виявлено, зокрема, що при швидкому охолодженні відбілююча дія хрому в комплексно легованому (Mn, Cu, Ni, Cr, Мо) чавуні проявляється сильніше, ніж молібдену, а при вмісті в ЧКГ марганцю на рівні 1,0-1,2 % зміна концентрацій міді та (або) нікелю у вивчених межах (до 0,8-0,9 % кожного) не впливає на литу структуру металу. Визначені основні фізико-механічні характеристики (межа міцності в, межа плинності 0,2, відносне подовження, твердість) легованого ЧКГ після термічної обробки двох видів (нормалізації та гартування з відпуском) по режимах, які забезпечили гомогенізацію структури металу при відсутності структурно вільних карбідів; ці показники становлять:

	в, МПа	0,2, МПа	, %	НВ, МПа10-1
Нормалізація	790-900	555-675	1,5-6,5	285-302
Гартування	920-1150	660-885	0,9-2,2	345-387

При збільшенні концентрації хрому, марганцю та молібдену пластичність ЧГК знижується, а твердість, навпаки, підвищується.

У шостому розділі наведені оптимальні технологічні режими одержання дослідних маслотних виливків, властивості ЧКГ та результати випробувань поршневих кілець.

Склади чавуну у контрольних маслотах, а також режими термічної обробки визначені на основі аналізу результатів досліджень, які наведені в п'ятому розділі, а також згідно з вимогами стандарту: сума легуючих елементів не менше 2,3 %. Виливки мали переважно перлітну (кількість цементиту до 2-5 %) структуру; тому термообробка їх (нормалізація або гартування) мала скорочені термочасові параметри, однакові для обох видів обробки: нагрів до 950 С, витримка 1 год., зниження температури до 900 С, витримка 1,5 год. Структура ЧКГ у дослідних поршневих кільцях (ГОСТ 3443-87): по графіту - ШГ4…ШГ10; ШГд25…ШГд45; ШГф4…ШГф5; по металевій основі - сорбітоподібний та тонкодисперсний перліт (П…П96, Пд0,3…Пд1,0), бейніт, троостомартенсіт. Твердість металу у заготовках кілець (табл. 2) також відповідає ГОСТ 621-87 (в межах 98-110 НRВ, а по периметру кільця - різниця не більше 4-х одиниць НRВ).

Таблиця 2

Хімічний склад та твердість ЧКГ в дослідних поршневих кільцях після термічної обробки

№ з/п	Вміст в чавуні, % *)	Твердість НRВ (чисельник) та НВ (знаменник)
	Mn	Cu	Ni	Cr	Mo	Нормалізація	Гартування + відпуск
1	0,55	0,75	0,91	0,24	-	101-103 / 289-302	104-108 / 311-341
2	0,70	0,69	0,77	0,15	-	99-102 / 277-299	102-105 / 289-327
3	0,79	0,60	0,55	0,10	0,28	103-106 / 304-329	106-109 / 321-345
4	0,86	0,82	0,71	0,18	0,20	105-109 / 321-342	107-110 / 335-355

*) Інші елементи, %: 3,45-3,62 С; 2,33-2,50 Si; 0,013-0,018 S; 0,045-0,058 Mg.

Дослідні поршневі кільця успішно пройшли повний цикл стандартних випробувань в атестованій контрольно-вимірювальній лабораторії та станції випробувань дизелів в АТ "Тепловозоремонтний завод" (м. Полтава) і визнані придатними до експлуатації в двигунах локомотивів залізниць України.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

З метою розробки оптимальної технології виготовлення відцентровим методом із ЧКГ маслотних виливків для поршневих кілець дизельних двигунів тепловозів досліджені основні чинники, які визначають структуру та фізико-механічні властивості чавуну, а саме: склади модифікаторів ЖКМК, ФСМг (ТУ 14-5-134-86) та КМг (ДСТУ 3362-96) (сфероїдизуючих та графітизуючих), режими обробки ними розплаву, хімічний склад чавуну, режими термічної обробки виливків. Використовували модифікатори з магнієм у вигляді лігатур (сплави на основі кремнію, заліза, міді, нікелю) та брикетів (спресованих сумішей дисперсних компонентів). Для забезпечення передбачених стандартом (ГОСТ 621-87) та ТУ У 32.01124483.003-2001 параметрів структури ЧКГ (ШГф4...ШГф5; ШГд15...ШГд90; ШГ2...ШГ10; ПТ1; П...П96; Пд0,3...Пд1,0; Ц2...Ц10) в поршневих кільцях застосовували нормалізацію та гартування з відпуском заготівок кілець.

Всебічно досліджена ефективність використання модифікаторів - брикетів з різним вмістом компонентів (фракції менше 2 мм): магнію, заліза, міді, алюмінію, FeSi, MgSiFe - лігатури, тощо. Вивчено вплив складу брикету на швидкість розплавлення та сфероїдизуючу здатність з врахуванням їхньої щільності. Встановлено, зокрема, що при збільшенні в них концентрації магнію з 5 до 20% тривалість розплавлення брикету скорочується в півтора рази, а повніше засвоюються в чавуні брикети, які містять 10% магнію. В порівнянні з лігатурами модифікатори-брикети мають більш стабільний склад, а також вони значно дешевші.

Показано, що при відцентровому методі виробництва виливків із ЧКГ противідбілююча дія графітизуючих модифікаторів (сплавів на основі феросіліцію) найвиразніша при введенні останніх рівномірним шаром на поверхню виливниці, що обертається. Ефективність такої обробки підсилюється при наявності в складі модифікаторів сполук Ca та Ba (по 24% кожного).

Встановлено, що при виготовлені відцентровим методом відносно товстостінних (? 20 мм) виливків структура ЧКГ в їхньому перерізі істотно залежить від фракційного складу модифікаторів, які нанесені на робочу поверхню виливниці.

Розроблено концентраційну залежність, яка дозволяє прогнозувати структуру ЧКГ у виливках при великій швидкості охолодження в залежності від вмісту в чавуні легуючих елементів. З застосуванням електронно-мікроскопічного (при збільшенні х 12000) аналізу встановлено, що мідь та нікель збільшують дисперсність перліту на відміну від марганцю, а додаткове легування чавуну молібденом (до 0,55%) та хромом (до 0,40%) викликає розорієнтацію цементитної складової перліту.

Дослідженні фізико-механічні властивості комплексно легованого ЧКГ після нормалізації (в = 790-900 МПа, 0,2=555-675 МПа, =1,5-6,5 %, НВ=2850-3020 МПа) та після гартування з відпуском (в= 920-1150 МПа, 0,2= 660-885 МПа, = 0,9 -2,2%, НВ = 3450-3870 МПа). З підвищенням вмісту хрому до 0,4%, марганцю до 1,2% та молібдену до 0,55% пластичність чавуну з однаковою структурою металічної основи падає, а твердість підвищується .

З використанням розроблених технологічних режимів виготовлені дослідні маслотні виливки з ЧКГ при раціональній концентрації легуючих елементів (в межах, %: 0,55-0,86Mn; 0,60-0,82 Cu; 0,55-0,91 Ni; 0,10-0,24 Cr; 0,28 Mo). Виливки пройшли термообробку двох видів (нормалізацію та гартування з відпуском) по скорочених режимах, які забезпечили отримання структури металу згідно з вимогами стандарту (ГОСТ 621-87).

Випробування по стандартній методиці показали, що поршневі кільця з ЧКГ наведеного складу та структури по всіх основних параметрах (твердість, пружність, межа міцності при згині) відповідають вимогам креслень. Експериментальні компресійні кільця успішно пройшли обкаточні випробування в дизельних двигунах 5Д49 та 14Д40.

За рахунок зменшення в складі чавуну вмісту дорогих легуючих елементів (молібдену, нікелю, хрому, тощо) та зниження в 2,7 разів енерговитрат на термічну обробку, економічний ефект від реалізації в умовах ЗАТ "Ремдизель" вдосконаленого технологічного процесу виробництва виливків маслот становить 2 335,07 грн. на кожній тоні литва.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Литовка В.И., Куровский В.Я., Боровик Н.В., Шинский И.О. О расплавлении в чугуне модифицирующих брикетов. // Процессы литья. - 2003. - № 1. - С. 12-17.

2. Шинский О.И., Литовка В.И., Куровский В.Я., Боровик Н.В. Получение высокопрочного чугуна с применением брикетированных модификаторов // Литейное производство. - 2003. - №8. - С. 23-26.

3. Боровик М.В., Шинський І. О., Токарєва О.О., Рабійчук Л.А., Склад та структура високоміцного чавуну в відливках поршневих кілець // Металознавство та обробка матеріалів.. - 2004.- № 2. - С. 44-47.

4. Шинский О.И., Литовка В.И., Пилипенко Т.К., Боровик Н.В. Интен-сификация графитизирующего модифицирования при центробежном литье заготовок из ЧШГ // Процессы литья. - 2004.- № 3. - С. 25-31.

5. Боровик Н.В., Литовка В.И., Модифицирование и структуро- образование в ЧШГ при центробежном литье заготовок // Тезисы докладов Международного научно-технического конгресса" Литейное производство в новом веке - как победить в конкуренции. - Киев: ФТИМС НАНУ. - 2002. - С. 26.

6. Шинский О.И., Маслюк В.А., Литовка В.И., Боровик Н.В. Эффективность модификаторов - брикетов и лигатур при получении отливок из ЧШГ // Тезисы докладов на Международном научно- техническом конгрессе "Литейное производство: высококачест-венные отливки на основе эффективных технологий". - Киев: ФТИМС НАНУ. - 2004. - С. 11-12.

7. Боровик Н.В., Шинский О.И., Литовка В.И., Терещенко Н.Я. Внутриформенное графитизирующее модифицирование при центробежном способе получения отливок из ЧШГ// Тезисы докладов " Экономический путь к высококачественному литью" .-Киев: ФТИМС НАНУ. - 2005. - С.76-78.

8. Шинский О.И., Литовка В.И., Шинский И.О., Боровик Н.В О получении тонкостенных отливок из ЧШГ с бескарбидной структурой // Металлургия машиностоения.-2002.- № 4. - С.23-25.

9. Шинский О.И., Литовка В.И., Боровик Н.В. Регулирование литой структуры ЧШГ в центробежнолитых заготовках // Литейщик России.-2002.- № 6.

10. Боровик Н.В., Шинский И.О, Рабийчук Л.А. Бабич В.Н. Управление структурой высокопрочного чугуна в отливках поршневых колец. // Литейщик России.-2002.- № 6.

чавун графіт заготівка лиття

АНОТАЦІЯ

Боровик М.В. Вдосконалення технології виробництва маслотних виливків поршневих кілець із високоміцного чавуну для дизельних двигунів тепловозів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - Ливарне виробництво. - Фізико-технологічний інститут металів та сплавів, Київ, 2006.

Дисертація присвячена покращенню техніко-економічних показників та стабілізації якості чавуну з кулястим графітом у литих заготівках (маслотах) поршневих кілець при відцентровому литті в кокіль шляхом, насамперед, використання раціональних режимів модифікування, оптимізації хімічного складу металу та скорочення термічної обробки виливків. Досліджена ефективність використання сфероїдизуючих модифікаторів у вигляді лігатур (сплавів на основі кремнію, заліза, міді, нікелю) та брикетів (зпресованих сумішей матеріалів дрібних фракцій). Випробуваний спосіб графітизуючої обробки розплаву чавуну в ливарній формі в процесі її обертання. Вивчені фізико-механічні властивості комплексно легованого чавуну та рекомендовано його оптимальний хімічний склад для поршневих кілець. Проведені виробничі випробування розроблених технологічних рішень і зроблена оцінка їхньої ефективності.

Ключові слова: поршневі кільця, маслотні виливки, високоміцний чавун, модифікатор, хімічний склад, відцентрове лиття.

АННОТАЦИЯ

Боровик Н.В. Совершенствование технологии производства маслотных отливок поршневых колец из высокопрочного чугуна для дизельных двигателей тепловозов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - Литейное производство. - Физико- технологический институт металлов и сплавов, Киев 2006.

Диссертация посвящена улучшению технико-экономических показателей и стабилизации качества чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) в маслотных отливках поршневых колец при центробежном способе литья в кокиль путем, главным образом, использования рациональных режимов модифицирования, оптимизации химического состава металла и сокращения термической обработки отливок.

В работе решены следующих основные задачи: изучено влияние типа (лигатуры, брикеты) и химического состава магнийсодержащих модификаторов на литую структуру ЧШГ при высоких скоростях кристаллизации; исследованы режимы графитизирующего модифицирования расплава чугуна во вращающейся литейной форме (изложнице), изучена структура ЧШГ по сечению центробежнолитых заготовок; исследовано влияние концентрации легирующих элементов (Cu, Ni, Mn, Cr, Мо) на микро- и субструктуру ЧШГ в быстроохлаждаемых отливках и после термообработки (нормализация, закалка); изучены физико-механические свойства комплексно легированного чугуна, определен рациональный химический состав металла для поршневых колец мощных дизельных двигателей.

Научная новизна полученных результатов: впервые всесторонне исследована эффективность при получении ЧШГ модификаторов в виде брикетов, получаемых прессованием материалов мелких фракций, выявлены особенности кинетики расплавления и усвоения в чугуне брикетов с учетом их плотности и компонентного состава; для центробежного метода получения отливок из ЧШГ исследован характер расплавления графитизирующих модификаторов при введении их на поверхность изложницы с термоизолирующим покрытием и определена роль химического и фракционного состава присадок; построено уравнение регрессии, позволяющее прогнозировать структуру ЧШГ в быстроохлаждаемых отливках путем регулирования концентрации легирующих элементов; методами электронной микроскопии выявлены особенности строения перлита в структуре комплексно легированного ЧШГ и др.

Результаты проведенных исследований и экспериментов позволили рекомендовать обоснованные технологические режимы получения центробежным способом маслотных отливок поршневых колец из высокопрочного чугуна, в первую очередь для мощных дизельных двигателей, при обязательном соблюдении требований стандарта как по структуре и физико-механическим характеристикам металла, так и по конструкционной прочности поршневых колец по основным регламентированным показателям (упругость, прочность при изгибе и др.). Показано, что использованием сфероидизирующих модификаторов комплексного состава (с магнием, кальцием, барием, алюминием и др.) с последующей поздней (в литейной форме) графитизирующей обработкой расплава удается получать центробежнолитые заготовки поршневых колец с минимальным отбелом и резко сократить длительность их термообработки. Экспериментальные компрессионные кольца успешно прошли полный цикл лабораторных стандартных испытаний, испытаны в дизельных двигателях 5Д49 и 14Д40 и признаны пригодными для эксплуатации. За счет уменьшения в составе чугуна дорогостоящих легирующих элементов (молибдена, никеля, хрома) и снижения энергозатрат на термообработку ожидаемый экономический эффект от реализации разработанного технологического процесса производства отливок маслот из ЧШГ превышает две тысячи грн. на одну тонну литья.

Ключевые слова: поршневые кольца, маслотные отливки, высокопрочный чугун, модификатор, химический состав, центробежное литье.

ABSTRACT

Borovik N.V. Modernization of production technology of piston rings' made of ductile iron for diesel engines of diesel locomotives. - Manuscript

Dissertation on defending of science degree candidate of technical sciences on speciality 05.16.04 - Foundry production. - Physico - technological institute of metals and alloys of National academy of sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

Dissertation is devoting modernizing of technical - economical figures and quality stabilization of cast iron with spherical graphite in cast raw pieces (cast raw pieces for piston rings) under centrifugal casting in metallic mould, in first of all, by using rational regimes of modifying, optimization of chemical content and reduction of castings' thermal treatment. Have been investigated efficiency of spherical modifying master - alloys in shape of alloying master - alloys (alloys in the bases of Si, Fe, Cu, Ni) and brickets (pressed compounds of little materials fraction). It have been tested introduced method of graphitizing treatment of liquid cast - iron in foundry mould in process of it's revolving. Explored physico- mechanical properties of complex alloyed cast iron was investigated and recommendations for it's optimal content for piston rings was made. There were carried out production testing of discovered technological regimes and testing of it's economical efficiency was made.

Key words: piston rings, raw piston rings cast part, ductile iron, modifying maser alloy, chemical content, centrifugal casting.

Размещено на Allbest.ru

...