Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки Клименко Леонід Павлович, Миколаївський державний гуманітарний університет імені Петра Могили, ректор, м. Миколаїв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Моісеєв Юрій Васильович, Фізико-техно-логічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент Косячков В'ячеслав Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри, м. Київ.

Захист відбудеться 20 грудня 2007 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів за адресою: 03680, м. Київ, МСП, б-р Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів за адресою: 03680, м. Київ, МСП, б-р Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий 16 листопада 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 доктор технічних наук М.І. Тарасевич.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) є найпоширенішими тепловими двигунами у світі. Питання їхнього виробництва й експлуатації носять глобальний характер. Надійність і довговічність основного вузла тертя ДВЗ - циліндропоршневої групи (ЦПГ) - визначає ресурс двигуна в цілому. За своїми конструкційними параметрами, технологічними вимогами та експлуатаційними характеристиками найсуттєвішою деталлю ЦПГ двигуна є гільза циліндра. Найбільш важливі з параметрів гільз циліндрів досягаються за рахунок використання спеціальних високотехнологічних видів виробництв, і в першу чергу ливарного.

У практиці автотракторного двигунобудування найбільше застосування як матеріал гільз циліндрів ДВЗ має сірий легований чавун, а найбільш поширеним способом отримання заготовки є відцентрове лиття. У комплексі задач, що завжди стояли перед практикою відцентрового лиття в виливницю, провідна роль належить тепловим явищам, що відбуваються у системі “виливок - форма”, регулюючи які, можна оптимізувати графітові включення в чавуні, істотно поліпшити характеристики металевої основи, стабілізувати і підвищувати твердість чавуну.

Кращі зносостійкі властивості для сірих чавунів має дрібнодисперсний перліт у литому стані, а отримання такої структури можна домогтися тільки шляхом керованого термічного впливу протягом усього часу формування виливка, використовуючи теплоту кристалізації і охолодження заготовки. Розробка маловитратної, енергозберігаючої технології керування структуроутворенням в чавуні дозволить підвищити ресурс ДВЗ та впровадити її на підприємствах України, що виготовляють деталі транспортного двигунобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до міжвузівської науково-дослідної програми “Енергоресурси й енергозбереження на транспорті в Україні”, внесеної в тематичний план робіт на 1992-1999 рр., який виконувався Національним університетом кораблебудування імені адмірала Макарова (раніше - Українським державним морським технічним університетом), а також відповідно до комплексного плану розвитку нової техніки у ВО “Київтрактородеталь” (м. Київ) на 1985-1995 рр. По темі дисертації в період з 1985 по 1996 роки виконано шість госпрозрахункових науково-дослідних робіт: “Розробка, дослідження і впровадження технології керування структуроутворенням гільз циліндрів тракторних і комбайнових двигунів”: № Держ. Реєстр. 01870002436; “Розробка й оптимізація технології виливка і хімічного складу гільз циліндрів тракторних і комбайнових дизелів в умовах серійного виробництва при литті в кокіль”: № Держ. Реєстр. 01870012338; “Розробка технології виготовлення і дослідження властивостей гільз циліндрів тракторних і комбайнових дизелів при литті в титановий кокіль”: № Держ. Реєстр. 01900002392; “Розробка і дослідження властивостей матеріалу облицювання металевого кокілю”: № Держ. Реєстр. 0190U013432; “Розробка комплексу технологічних заходів по підвищенню ресурсу вузлів тертя машин на основі принципів перемінної зносостійкості”: № Держ. Реєстр. 0103U004011; “Розробка композиційного пористого матеріалу з об'ємнозмінними теплофізичними властивостями”: № Держ. Реєстр. 0106U004313. У всіх темах автор був відповідальним виконавцем.

Метою даної роботи є підвищення ресурсу автотракторних гільз циліндрів регулюванням швидкості охолодження чавуну при відцентровому литті.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

– виявити вплив теплофізичних процесів на структуроутворення чавуну у виливку відцентрового лиття; встановити температурні інтервали примусового керування процесами структуроутворення чавуну у виливку, що охолоджується;

– розробити спосіб та встановити оптимальні параметри процесу примусового зменшення швидкості охолодження сплаву в евтектичному інтервалі кристалізації з метою усунення відбілювання та рівномірного розподілу графіту у структурі чавуну виливка відцентрового лиття;

– розробити спосіб та встановити оптимальні теплові режими примусового підвищення швидкості охолодження чавуну в процесі евтектоїдного розпаду аустеніту для стабілізації дрібнодисперсної перлітної складової його металевої матриці;

– розробити спосіб теплового керованого впливу на процес кристалізації чавуну з метою стабільного досягнення твердості 260…280 НВ на внутрішній робочій поверхні та мінімально можливої твердості зовнішньої посадкової поверхні, що обробляється різанням, у заготовках гільз двигунів внутрішнього згоряння;

– за результатами досліджень розробити та впровадити у виробництво технологію керованого теплорегулювання процесом кристалізації відцентрового виливка гільз циліндрів двигунів внутрішнього згоряння для підвищення зносостійкості.

Об'єкт досліджень - процес примусового теплового впливу на механізм і кінетику евтектичної та евтектоїдної кристалізації сірого чавуну в обертових виливницях машин відцентрового лиття.

Предмет досліджень - автотракторні гільзи двигунів внутрішнього згоряння.

Методи досліджень - аналітичним методом виконано розрахунок швидкості кристалізації чавуну в виливниці з пористим композиційним лицюванням, а шляхом експерименту вивчено штучне керування процесом структуроутворення у відцентрових виливках у період евтектоїдного розпаду аустеніту.

Дослідження твердості чавунів з різними структурами проводилися з використанням твердоміра 2109ТБ. Термометрування виливків здійснювалося з застосуванням пірометрів і установки термопар. Визначення хімічного складу сплавів виконувалося рентгеноспектральним і хімічним методами. Металографічні дослідження структури чавунів і фрактографічний аналіз зломів проводилися з використанням оптичного (Neafot-21) і растрового електронного мікроскопів РЕМ-103. Дослідження фазового стану композиційних матеріалів здійснювали рентгеноструктурним методом на дифрактометрі ДРОН-3,0. Аналіз мікрорельєфу робочих поверхонь гільз циліндрів виконувався на профілографі-профілометрі “Tulysurf-3”. Порівняльні зносостійкі випробування чавунів з різними структурами здійснювалися на машині тертя 2070 СМТ-1 і на заводських випробувальних стендах, оснащених серійними двигунами.

Наукова новизна отриманих результатів. Основні результати, що характеризують наукову новизну роботи:

– Теоретично обґрунтовано та експериментально доведено, що для підвищення зносостійкості чавуну природний процес кристалізації сплаву при відцентровому литті можливо замінити примусовим диференційованим керованим тепловим впливом на евтектичний та евтектоїдний періоди структуроутворення металу у виливках, а саме - сповільненням процесу первинної кристалізації в інтервалі температур 1180...1120 °С та прискоренням процесу вторинної кристалізації в інтервалі температур 750...700 °С.

– Вперше встановлено, що для гальмування процесу охолодження і гарантованої первинної кристалізації чавуну в відцентрових виливках типу порожнинного циліндра за стабільною системою “залізо - графіт” без ледебуритної евтектики необхідно в інтервалі температур 1180...1120 °С знизити усереднену швидкість охолодження з 20 °С/с до 10 оС/с за рахунок зменшення теплопровідності матеріалу зовнішнього формоутворювача в 2…4 рази, зокрема застосуванням запропонованих пористих торцевих кришок та виливниць, що облицьовані пористою титановою футерівкою.

– Встановлено, що для гарантованого забезпечення в чавуні порожнинного циліндричного виливка перлітної структурної складової (П96) необхідно в інтервалі температур 750…700 °С прискорити з 5 °С/с до 20 °С/с середню швидкість охолодження металу за рахунок збільшення в 4…6 разів інтенсивності відведення тепла шляхом застосування примусового керованого охолодження.

Практична цінність отриманих результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

– Розроблено технологію виготовлення спеціального облицювання виливниць відцентрового лиття для зниження інтенсивності охолодження виливка під час евтектоїдної кристалізації. Облицювання складається з двох шарів. Перший шар, що прилягає до корпусу форми, виконується з губчастого титану пористістю 20% (+3%). Другий шар, що контактує з рідким металом, виготовляється з карбіду титану товщиною 0,2...2 мм. Рекомендований склад (мас. %) облицювання першого шару: 80% - титановий порошок фракції -500...+630 мкм, 10% - титановий порошок фракції -180 мкм та 10% ливарного чорного графіту.

– Вирішено задачу усунення торцевого вибілювання чавунних заготовок автотракторних гільз використанням спеціально розробленої конструкції торцевих кришок на основі пористого титану для виливниць відцентрового лиття.

– Запропоновано нову технологію охолодження виливків, яка включає продування внутрішньої поверхні гільзи стисненим повітрям в інтервалі температур 900...750 °С, з наступним дощуванням внутрішньої поверхні порожнинного циліндричного виливка холодоагентом (технічною водою) з тепловим потоком 900…1200 кВт/м2•в інтервалі температур 750...700 °С. При цьому холодоагент необхідно подавати тільки в зону найбільшого зношування гільзи.

– В ливарному комплексі ВО “Київтрактородеталь” впроваджена технологія відцентрового лиття гільз із застосуванням примусового термічного керування процесом кристалізації чавуну (технологічні інструкції №25210.00144 і №25000.00219). Технологія дозволяє оптимізувати форму і розподіл пластивчатого графіту, усунути торцеве вибілювання, збільшити дисперсність перліту (Пд0,3), виключити наявність феритної складової у структурі чавуну, підвищити твердість внутрішньої поверхні гільз з 197…229 НВ до 269...285 НВ і одночасно знизити твердість зовнішньої поверхні до 241...269 НВ.

– За результатами порівнювальних стендових випробувань, проведених у ВО “Київтрактородеталь” і лабораторії відділу головного конструктора Мінського моторного заводу (Білорусь), встановлено збільшення ресурсу гільз циліндрів, виготовлених за розробленою технологією, порівняно з серійними гільзами на 40...50%. Зносостійкість працюючих у парі з дослідними гільзами поршневих кілець також збільшується на 30...50%.

– Економічний ефект від впровадження результатів роботи в ливарному комплексі ВО “Київтрактородеталь” складає понад 1,2 млн. грн. на річну програму.

Особистий внесок автора. Основні результати дисертаційного дослідження отримано автором самостійно. Постановку задач і обробку отриманих результатів здійснено разом з науковим керівником. У наукових матеріалах, представлених до захисту, дисертантові належить:

– розробка методології і проведення досліджень, основні технічні рішення, узагальнення й інтерпретація результатів вибору пористості і хімічного складу спечених облицювальних вставок [14-17; 19; 26];

– розробка технології зміцнення і вивчення зносостійких властивостей експериментальних гільз циліндрів; рекомендації з промислового використання отриманих результатів [5; 8; 10; 22; 23; 25];

– розробка конструкції і режимів роботи автоматизованої системи зональної подачі повітряно-рідинної суміші на внутрішню поверхню циліндричного виливка [1; 4; 13];

– ідея розробки математичного аналізу, одержання вихідних даних, перевірка адекватності розрахункової моделі, узагальнення й інтерпретація результатів розрахунків [6; 18; 20];

– металографічні, фрактографічні та рентгеноструктурні дослідження у різних режимів термічного впливу на структуроутворення в сірих чавунах [9; 21];

– обробка й інтерпретація даних лабораторних і стендових випробувань дослідних зразків циліндрових гільз [3; 7; 11].

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на наступних науково-технічних конференціях, семінарах, симпозіумах і конгресах: на Всесоюзній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми триботехнології”, Миколаїв, МКІ, 1988; республіканській науково-технічній конференції “Шляхи підвищення якості й економічності ливарних процесів”, Одеса, ОПІ, 1988; науково-технічній конференції “Проблеми якості в умовах ринку”, Херсон, Херсонський індустріальний інститут, 1993; І Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків, Львів, ЛПІ, 1993; Міжнародному науково-практичному симпозіумі “Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення”, Миколаїв, УДМТУ, 1997; Міжнародній науково-технічній конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003)”, Хмельницький, ТУП, 2003; Міжнародному конгресі “Механіка і трибологія транспортних систем - 2003”, Ростов-на-Дону, Рост. держ. ун-т шляхів сполучення, 2003; 7-му, 8-му, 9-му Міжнародному конгресі двигунобудівників, Харків - Рибаче, ХАІ, 2002, 2003, 2004; International Science Conference “Optimization of Production Systems in Foundries”, Lodz, Poland, 2003, 2006; Days of Ukrainian Science and Technology, High Technologies Exhibition, New Delhi, 2004; Міжнародній науковій конференції “Сучасні досягнення в науці та освіті”, Натанія, Ізраїль, 2007; Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми триботехніки”, Миколаїв, НУК, 2007.

Публікації. Результати проведених досліджень опубліковано в 13 наукових друкованих виданнях, внесених у переліки ВАК України, у трьох статтях у закордонних виданнях, а також у шістьох тезах наукових конференцій. З тематики дисертації отримано два авторських свідоцтва СРСР на винахід та два патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів основної частини, висновків, додатків, списку використаних джерел. Обсяг дисертації - 147 сторінок, 66 ілюстрацій, 14 таблиць, 13 додатків, а також список зі 145 використаних джерел на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

гільза термоізольований кристалізація чавун

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об'єкт і предмет дослідження, наукову новизну і практичне значення, наведено відомості про апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі виконано аналіз світового рівня технологій зміцнення гільз циліндрів двигунів транспортних засобів, що виливаються з легованого чавуну у відцентровий спосіб. Коригування хімічного складу, модифікування чавуну або термічна обробка заготовок досить дорогі і не завжди приводять до підвищення ресурсу. Підвищення зносостійкості гільз доцільно досягати за рахунок управління технологією лиття та без застосування загартування, оскільки кращі зносостійкі властивості в сірому чавуні характерні для дрібнодисперсного перліту в литому стані.

Отримання сорбітоподібної структури чавуну та оптимальної кількості наявного у ньому зв'язаного вуглецю значним чином залежить від теплових процесів під час охолодження виливка. Тому висунуто гіпотезу, що високі зносостійкі властивості гільзи циліндра двигуна можна отримати при використанні керованої технології лиття в постійні облицьовані виливниці за рахунок максимально точного регулювання швидкості охолодження виливка протягом часу від заливання металу до вибивання заготовки з форми (рис. 1).

У другому розділі викладено загальну методику роботи та основні методи досліджень. Предметом дослідження були гільзи циліндрів автотракторних двигунів марок Д-240, Д-245, СМД-14, СМД-18, СМД-60, СМД-31, що отримували відцентровим литвом в кокіль чавуну марки СЧ20 (мас. %): С - 3,1...3,4; Si - 2,1...2,4; Mn - 0,7...1,0; Cu - 0,3...0,4; Cr - 0,3...0,5; Ni - 0,15...0,2; P - до 0,15; S < 0,12. Твердість гільз - 190...230 НВ.

Параметри процесу кристалізації чавуну встановлювали аналітичними розрахунками. Експериментальним шляхом визначено інтенсивність тепловідведення при проходженні інтервалу перлітного перетворення в чавуні.

Твердість чавунів з різними структурами вимірювали на твердомірі 2109ТБ, мікротвердість структурних складових заміряли на твердомірі ПМТ-5. Мікроструктуру чавунів досліджували за допомогою оптичних мікроскопів Neafot-21, ММР-2Р, МІМ-9М. Тонку структуру сплавів вивчали на електронному мікроскопі УЕМВ-100К. Оцінка графітних включень і металевої основи проводилася за ГОСТом 3443-87. Форму графітних включень оцінювали за методом стереометричної металографії (за А.С. Салтиковим). Вивчення хімічного складу сплавів здійснювали хімічним і рентгеноспектральним методами. Фазовий аналіз композиційного матеріалу облицювання виливниці проводили на установці ДРОН-3. Контроль температури виливків здійснювався за допомогою яркісних пірометрів з діапазоном вимірів 650...2500 °С, а також з використанням платино-платинородієвих термопар занурення ПП-1, оснащених кварцовим наконечником і потенціометром ЕПП-09.

Прискорені лабораторні дослідження зносостійкості зразків гільз проводили на машині тертя 2070 СМТ-1 за схемою “диск - колодка” шляхом нанесення лунок на твердомірі Віккерса. Прискорені стендові випробування гільз циліндрів ДВЗ на зношення, з використанням абразивної присадки АЛП-4Д відповідно до ГОСТ 18509-80, проводили в лабораторії стендових випробувань дизелів за методикою, затвердженою Державним конструкторсько-технологічним бюро двигунобудування (м. Харків).

У третьому розділі проведено математичний аналіз процесів кристалізації й охолодження порожнинного циліндричного виливка при виготовленні його методом відцентрового лиття в масивну металеву виливницю. Аналіз базується на концепції калориметричної температури і застосуванні методу еквівалентного виливка, коли матеріалом виливка є не чистий метал, а сплав.

Координати просування фронтів ліквідусу - о0L, о1L - і солідусу - о0S, о1S - визначаються за методом еквівалентного виливка (де індексами 0 і 1 відзначені координати фронтів, що рухаються, відповідно, від внутрішньої і зовнішньої поверхонь виливка):

Через иS, иcr, и01 у наведених співвідношеннях позначено відповідно безрозмірну температуру солідусу, кристалізації та внутрішньої поверхні виливка; Ві01, Ві02 - числа Біо відповідно для внутрішньої поверхні виливка та ізоляційного переходу від виливка до форми.

Встановили формули для и0 и и1 - швидкісне переміщення фронтів кристалізації від внутрішньої і зовнішньої поверхонь форми шляхом диференціювання за часом ф; координат о0 и о1 фронтів кристалізації та наводимо загальну формулу для u - швидкості переміщення фронтів кристалізації:

де L - питома теплота кристалізації розплаву.

Отримано дані щодо температурних полів термодинамічної системи “виливок - форма” при нескінченному охолодженні затверділого виливка в формі, а також для варіанта вилучення затверділого виливка з виливниці за технологічним циклом відцентрової карусельної установки.

Для впливу на розподілення і розмір включень графіту в чавуні, утворення міждендритного графіту, розмір евтектичних зерен за рахунок наближення теплофізичних параметрів лиття у виливницю до умов пісчано-глинястої форми запропоновано вставку, що має двошарову футерівку з теплоізолюючої речовини, причому перший шар, що прилягає до корпуса, виконано з губчастого пористого титану товщиною 10…15 мм, а другий - напилюванням карбіду титану товщиною 0,2…2 мм.

Розраховано пористість порошків титану в постійній формі. Критерієм розрахунку була температура виливниці, яка за цикл роботи ливарної каруселі повинна повернутися до початкового значення. У разі пористості лицювання нижче П? 0,15…0,20 процес кристалізації чавуну протікає за умов металевої виливниці, що не впливає на зносостійкість металу. При збільшенні пористості понад П? 0,23 температура виливниці не встигає повернутися до початкових значень (рис. 3, в), а це впливає на вхідні умови кристалізації наступного виливка; міцність пористого матеріалу знижується й облицювання руйнується. При пористості лицювання П=0,20…0,23 (рис. 3, б) усереднена швидкість охолодження знижується з 20 °С/с до 10 °С/с, виливниця встигає повернутися до початкових температур.

Граничним параметром пористості титанового облицювання за розрахунками прийнято 20% (+3%), що зменшує теплопровідність форми в 2...4 рази.

У четвертому розділі досліджено примусове диференційоване охолодження внутрішньої частини циліндричного виливка в процесі евтектоїдного розпаду аустеніту з метою підвищення зносостійкості чавуну.

Сутність запропонованої технології полягає в тому, що штучне прискорене охолодження внутрішньої поверхні виливка починають при досягненні виливком температури 950...900 °С і проводять зі швидкістю 1…5 °С/с до температури 800…750 °С, після чого від температури 800…750 °С до 550…400 °С в зоні верхнього бурта гільзи охолоджують заготовку зі швидкістю 15…20 °С/с. При цьому тепловий потік повинен складати 900…1200 кВт/м2, що збільшує інтенсивність тепловідведення в 4...6 разів. Швидкість охолодження нижньої частини заготовки залишається незмінною, тобто 1…5 °С/с.

Металева основа чавуну в районі максимальних зносів термооброблених гільз є сорбітоподібною структурою з щільністю пластинок цементиту, що не перевищує 0,3 мкм (ПД0,3), а дисперсність перліту в нижній зоні циліндра знаходиться в межах 0,3...0,5 мкм (ПД0,5). Це дозволяє наблизити епюру зносу гільзи циліндра до прямолінійної.

При підвищенні інтенсивності відводу тепла з внутрішньої поверхні виливка більше 1200 кВт/м2 автором отримано значення твердості на внутрішній поверхні на 30...40 НВ більші, ніж на зовнішній поверхні виливка, що неможливо зробити за умов звичайного тепловідведення.

Одержано робочу діаграму для визначення інтенсивності відведення теплоти (за рахунок зміни маси технічної води) в залежності від необхідної зносостійкості гільзи циліндра та розроблено алгоритм побудови технологічного процесу лиття заготовок гільз із підвищеною зносостійкістю.

У п'ятому розділі для ливарного комплексу ВО “Київтрактородеталь” розв'язано задачу розробки промислового технологічного процесу штучного керування структуроутворенням чавуну при відцентровому литті гільз у термоізольовану вставками виливницю.

Облицювання виливниці та торцеві кришки зі спресованих порошків губчастого титану отримували динамічним формуванням за рахунок електричного розряду в рідині. У роботі використовувалися гідродинамічні машини рамного типу з тиском пресування 500...1500 МПа і розмірами робочої камери Ш350Ч1000 мм. З порошків титану пресувалися циліндричні вироби розмірами Ш200Ч800 мм та щільністю 60...95%. Спікання проводили у вакуумній електропечі протягом 4...6 годин при вакуумі 2,67 Па або в середовищі аргону з попереднім вакуумуванням при температурі Тсп = (0,7...0,9)•Тпл. Найбільшу стійкість показали торцеві кришки, що мають склад компонентів (мас. %): 80% - титановий порошок фракції -500...+630 мкм, 10% порошок титану фракції -180 мкм і 10% рівномірно розподіленого чорного ливарного графіту (2...4 мкм)

Виливниці, що укомплектовані вставками і кришками такого композиційного складу, не руйнувалися після 1000 заливань чавуну. Використання пористих вставок та торцевих кришок дозволило усунути поверхневе торцеве вибілювання чавунних заготовок. Твердість виливків на торцях 269...285 НВ. Кількість цементиту незначна (П96-Ц2). На дослідних зразках спостерігається упорядкованість у розподілі графіту по площі шліфа і відсутність міждендритного графіту (ПГ10-ПГф2-ПГр2-3-ПГд90-180 (макс. 144 мкм)).

Дослідження торцевих кришок з 10% графіту на установці “Дрон-3,0” показало, що після 500 заливань чавуну в матеріалі переважає карбід титану, зберігається високий вміст структурно вільного вуглецю і титану. Присутність оксидів (анітазу, рутилу), що руйнують матеріал, дуже незначна.

В ливарному комплексі ВО “Київтрактородеталь” для установки “Ротоліт” спроектована та впроваджена автоматизована система повітряно-рідинного охолодження виливка, розроблено нестандартне устаткування. При досягненні виливком температури 1000...900 °С починається продування його стисненим повітрям під тиском 0,25...0,30 МПа, а при температурі заготовки 800...750 °С проводиться упорскування технічної води на внутрішню поверхню. Температура вибивання заготовки складає 450...400 °С. Згодом протягом 30...40 хвилин відбувається ізотермічна витримка виробу в коробі для зняття ливарних напруг.

На кільцевому ливарному конвеєрі було відлито 5000 заготовок гільз дизеля марки СМД-60, де, крім задачі усунення вибілювання, була підвищена загальна твердість на внутрішній поверхні гільзи зі 197…229 НВ до 241...269 НВ, а в районі верхнього бурта - до 269...285 НВ. Твердість на внутрішній поверхні в зміцнених заготовках перевищує на 30...50 НВ твердість у районі ВМТ серійних виливків. Металева матриця зміцнених гільз складається із сорбітоподібного перліту (Пт1-П-Пд0,3), окремих включень подвійної фосфідної евтектики (ФЭп2000), незначних включень цементиту (П96-Ц2) та малих зерен фериту (П98-Ф0).

Згідно з актами впровадження на ВО “Київтрактородеталь”, розроблена технологія дає стабільні результати в умовах серійного виробничого процесу.

У шостому розділі надано об'єктивну оцінку ефективності розробленої технології за допомогою прискорених стендових випробувань на ресурс деталей циліндропоршневої групи тракторних дизелів марок: Д-240, Д-245, СМД-14, СМД-60. З напрацюванням на стенді більше 100 мото-годин різниця в інтенсивності зношування дослідних та серійних гільз є більш наявною (рис. 8). Це доводить, що протизношувальні властивості зміцненого чавуну мають не поверхневий характер, а зберігаються при великих значеннях зносу.

Прискорені порівняльні випробування на знос дослідних і серійних гільз показали, що запропонована технологія дозволяє збільшити ресурс гільз циліндрів ДВЗ на 40...50%, а поршневих кілець - на 30...50%.

Економічний ефект від впровадження в ливарному комплексі ВО “Київ-трактородеталь” технології управління тепловими процесами структуроутворення при відцентровому литті чавунних гільз автотракторних двигунів складає 1207200 грн.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано, що для отримання зносостійкої дрібнопластинчастої перлітної структури чавуну гільзи циліндра двигуна необхідно проведення диференційованого в часі й у просторі, постійно керованого теплового впливу на відцентровий виливок, а саме - сповільнена кристалізація та охолодження в евтектичному інтервалі температур 1180...1120 °С і прискорене охолодження в евтектоїдному інтервалі температур 750...700 °С.

2. На основі концепції калориметричної температури та методу еквівалентного виливка виконано математичний опис процесу кристалізації й охолодження порожнинного циліндричного виливка.

3. Для сповільнення швидкості кристалізації та охолодження виливка в евтектичному інтервалі температур запропоновано як облицювання постійної комбінованої ливарної виливниці використовувати композиційний матеріал на основі спресованих порошків губчастого титану. Облицювання містить двошарову футерівку з теплоізолюючої речовини. Перший шар, що прилягає до корпуса виливниці, виконано з губчастого титану, граничним параметром пористості якого на підставі математичних розрахунків процесу кристалізації виливка прийнято 20% (+3%). Композиційний склад першого шару облицювання (мас. %): 80% - титановий порошок фракції -500...+630 мкм, 10% - порошок титану фракції -180 мкм і 10% рівномірно розподіленого чорного ливарного графіту (2...4 мкм). Другий шар, що контактує з рідким металом, виконано напиленням карбіду титану товщиною 0,2...2 мм. Розроблено композиційний склад матеріалу і конструкцію торцевих кришок відцентрових виливниць для лиття середньорозмірних гільз циліндрів, які повністю усувають торцеве відбілювання чавуну виливків.

4. Для прискорення охолодження в евтектоїдному інтервалі температур розроблено температурно-часові та просторові режими подачі холодоагенту на внутрішню поверхню заготовки. А саме - при зниженні температури виливка до 950...900 °С штучне охолодження до 800...750 °С потрібно проводити зі швидкістю 1...5 °С/с продуванням виливка стислим повітрям. У проміжку 750…400 °С, включаючи евтектоїдний інтервал температур, до стислого повітря потрібно додавати холодоагент (технічну воду) для підвищення швидкості охолодження виливка до 15...20 °С/с. При цьому холодоагент необхідно подавати тільки в зону, що прилягає до верхньої мертвої точки гільзи циліндра двигуна (зону максимальних зносів). За температуру, нижчу 400 °С, подачу холодоагенту припиняють та охолоджують виливок разом з іншими в коробі для зняття внутрішніх напруг.

5. Розроблено систему повітряно-рідинного охолодження виливка і конструкції вузлів та деталей нестандартного устаткування для автоматичної подачі стислого повітря і холодоагенту (технічної води). Система впроваджена на промисловому ливарному кільцевому конвеєрі “Ротоліт”.

6. Розроблено технологію виробництва відцентрових заготовок гільз циліндрів автотракторних двигунів із твердістю, що збільшується від зовнішньої поверхні до внутрішньої. Загальна твердість на внутрішній поверхні гільзи підвищена до значень 241...269 НВ, а в районі максимальних зносів - до 269...285 НВ. При цьому твердість зовнішньої поверхні гільзи, що обробляється різанням, складає 241...269 НВ. Металева матриця чавуну на робочій поверхні гільзи складається із сорбітоподібного перліту, окремих включень подвійної фосфідної евтектики, незначних включень цементиту та зерен фериту. Графіт рівномірно розподілений, без міждендритних і крапчастих формувань.

7. Стендові випробування автотракторних двигунів підтвердили, що технологія керування тепловими процесами структуроутворення при відцентровому литті в постійну комбіновану виливницю з композиційним облицюванням дозволяє збільшити ресурс гільз циліндрів на 40...50%, а поршневих кілець - на 30...50% без істотних витрат.

8. Економічний ефект від впровадження розробленої технології в ливарному комплексі ВО “Київтрактородеталь” складає 1207200 грн./рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андреев В.И., Клименко Л.П. Способ повышения ресурса гильз цилиндров ДВС при серийном производстве // Триботехнология: Сборник НКИ. - Николаев, 1990. - С. 23-27.

2. Андреев В.И. Повышение износостойкости гильз цилиндров ДВС в процессе управляемой кристаллизации литых заготовок // Сборник научных трудов. - Николаев: УГМТУ, 1998. - №6(354) - С. 116-121.

3. Андреев В.И., Клименко Л.П. Исследование износостойкости упрочненных гильз цилиндров ДВС // Триботехнология: Сборник НКИ. - Николаев, 1990. - С. 31-35.

4. Андреев В.И., Клименко Л.П., Хачатуров Э.Б. Увеличение моторесурса ДВС путем совершенствования технологии кокильной отливки гильз цилиндров // Сборник научных трудов. - Николаев: УГМТУ, 1998. - №7(355). - С. 98-102.

5. Андреев В.И., Клименко Л.П., Дыхта Л.М., Прищепов О.Ф. Центробежная отливка гильз цилиндров ДВС с обратным градиентом твердости по сечению // Двигатели внутреннего сгорания: Научно-технический журнал. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2004. - №2(5). - С. 126-130.

6. Андрєєв В.І., Дихта Л.М., Клименко Л.П. Математичне моделювання процесів твердіння та охолодження порожнинного циліндричного виливка при відцентровому литті в масивний кокіль // Наукові праці: Науково-методичний журнал. - Т. 35. Вип. 22. Комп'ютерні технології. Сис-темний аналіз. Моделювання. - Миколаїв: Вид-во МДГУ ім. П. Могили, 2004. - С. 59-69.

7. Андреев В.И., Клименко Л.П., Прищепов О.Ф. Оптимизационная обработка данных стендовых испытаний гильз цилиндров с объемным термическим упрочнением // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, 2002. - Вып. 30. - С. 139-140.

8. Андрєєв В.І., Клименко Л.П. Екологічні аспекти впровадження зміцнюючої обробки деталей двигунів сільгоспмашин // Наукові праці. - Миколаїв: Вид-во МФ НаУКМА, 2001. - Т. 11. Екологія. - С. 82-83.

9. Андреев В.И., Прищепов О.Ф., Клименко Л.П. Разработка материала и технологии упрочнения поршней среднеоборотных судовых дизелей // Проблеми трибології. - Хмельницький: ТУП, 2003. - № 2(28). - С. 148-152.

10. Андреев В.И., Клименко Л.П., Прищепов О.Ф. Технологические пути реализации теории переменной износостойкости при отливке чугунных заготовок в двигателестроении // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - Харків: ХАІ, 2003. - Вип. 5(40). - С. 130-134.

11. Андрєєв В.І., Клименко Л.П. Шляхи зменшення витрат масла на вигар у тракторних двигунах // Наукові праці: Науково-методичний журнал. - Вип. 8. Екологія. - Миколаїв: Вид-во МДГУ ім. П. Могили, 2002. - С. 133-137.

12. Андреев В.И. Алгоритм технологического процесса литья заготовок гильз цилиндров ДВС с повышенной износостойкостью // Наукові праці: Науково-методичний журнал. - Т. 73. Вип. 60. Техногенна безпека. - Миколаїв: Вид-во МДГУ ім. П. Могили, 2007. - С. 51-56.

13. Андреев В.И., Клименко Л.П., Дыхта Л.М. Повышение ресурса авто-тракторных гильз цилиндров регулированием скорости охлаждения чугуна при центробежном литье // Проблеми трибології. - Хмельницький: ХНУ, 2007. - № 3(45). - С. 94-98.

14. А.с. 1446177 СССР, МКИ C21 D5/00. Способ изготовления чугунных заготовок // М.А. Медведев, В.Ф. Злобин, В.Е. Яковчук, Л.П. Клименко, В.И. Андреев, С.Я. Рубинштейн (СССР). - №4196218; Заявл. 18.12.1986; Опубл. 23.12.1988, Бюл. №47.

15. А.с. 1465171 СССР, МКИ B22 D13/10. Изложница для центробежного литья // В.Е. Яковчук, Н.С. Долгопят, Л.П. Клименко, В.И. Андреев, Э.Б. Хачатуров, В.А. Павлов, В.К. Сошников, Б.П. Прушинский (СССР). - №4292704; Заявл. 03.08.1987; Опубл. 15.03.1989, Бюл. №10.

16. Пат. 25101 Україна, МКИ B22D 13/00 Спосіб відцентрової відливки // Клименко Л.П., Прищепов О.Ф., Андрєєв В.І. (Україна). - № u 2007 03089; Заявл. 23.03.2007; Опубл. 25.07.2007, Бюл. №11.

17. Пат. 25102 Україна, МКИ B22D 13/00. Виливниця для відцентрового лиття Клименко Л.П., Прищепов О.Ф., Андрєєв В.І. (Україна). - № u 2007 03091; Заявл. 23.03.2007; Опубл. 25.07.2007, Бюл. №11.

18. Andreev V., Klimenko L., Kondratenko Y., Dykhta L. Mathematical simulation for solidification of the hollow cylindrical casting under centrifugal permanent-mould casting // Archives of foundry. - Katovice - Gliwice: Foundry Commission Polish Academy of Science, 2003. - Volume 3, №7. - p. 33-39.

19. Andreev V., Klimenko L., Kondratenko Y., Dykhta L. Regulation of the structure formations of the spun casting as to cast-iron cylinder liner of the transport engines // Archives of foundry. - Katovice - Gliwice: Foundry Commission Polish Academy of Science, 2003. - Volume 3, №7. - p. 41-45.

20. Andreev V., Klimenko L., Kondratenko Y., Dykhta L., Prichtchepov O. On thermodynamic parameters appropriate choice for improvement of hollow cylindrical casting's fabrication practice under centrifugal casting // Archives of foundry. - Katowice - Gliwice: Foundry Commission Polish Academy of Science, 2006. - Volume 6, №18(2/2). - p. 289-294.

21. Андрєєв В.І., Клименко Л.П., Хлопенко Б.К., Татарченко О.В. Технологічне забезпечення надійності суднових дизелів при переведенні на важке паливо // Тези доповіді на І Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові. - Львів: ЛПІ, 1993. - С. 336.

22. Андреев В.И., Клименко Л.П. Технология центробежной отливки гильз цилиндров транспортных дизелей с повышенной износостойкостью // Тезисы доклада на республиканской научно-технической конференции “Пути повышения качества и экономичности литейных процессов”. - Одесса: ОПИ, 1988. - С. 33-34.

23. Андреев В.И., Клименко Л.П., Прищепов О.Ф. Теоретические основы и технологии создания узлов трения с переменной износостойкостью // Тезисы доклада международного конгресса “Механика и трибология транспортных систем - 2003”. - Ростов-на-Дону: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2003. - Т. 1. - С. 402-405.

24. Андреев В.И. Управление температурным полем затвердевшей отливки // Тези доповіді обласної науково-практичної школи-семінару “Науково-методологічні аспекти розвитку творчого потенціалу науковців”. - Миколаїв: ДФ, 2003. - С. 61-64.

25. Андреев В.И., Хачатуров Э.Б., Хачатурова И.Н. Новый композиционный материал торцевых крышек изложниц центробежного литья // Тезисы доклада международной научной конференции, 9-17 сент. 2007 г., Натанья (Израиль). - Хмельницкий: ХНУ, 2007. - С. 109-112.

26. Андрєєв В.І., Клименко Л.П. Розрахунок параметрів пористості облицювальних вставок для виливниць відцентрового лиття // Тези доповіді ІІ міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми трибо-техніки”. - Миколаїв: НУК, 2007. - С. 134-136.

АНОТАЦІЯ

Андрєєв В.І. Підвищення ресурсу автотракторних гільз циліндрів регулюванням швидкості охолодження чавуну при відцентровому литті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - Ливарне виробництво. - ФТІМС НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена проблемі підвищення ресурсу гільз циліндрів автотракторних двигунів шляхом створення дрібнодисперсної перлітної металевої основи чавуну на стадії лиття гільз.

Для впливу на процес кристалізації в евтектичному інтервалі температур та усунення поверхневого і торцевого вибілювання вперше запропоновано використовувати композиційний матеріал на основі спресованих порошків губчастого титану з певною пористістю і хімічним складом як облицювання ливарної форми і торцевих кришок.

Для підвищення зносостійкості гільзи запатентовані режими подачі холодоагенту на внутрішню поверхню відцентрової заготовки в евтектоїдному інтервалі температур для подрібнення перлітної складової металевої матриці чавуну. Найшвидше охолоджується зона максимального зносу циліндра.

Технологія дозволяє збільшити ресурс гільз на 40...50%, а поршневих кілець - на 30...50% без істотних витрат.

Ключові слова: гільза, чавун, відцентрове лиття, виливниця, розподіл графіту, кероване охолоджування, високодисперсний перліт, зносостійкість.

АННОТАЦИЯ

Андреев В.И. Повышение ресурса автотракторных гильз цилиндров регулированием скорости охлаждения чугуна при центробежном литье. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - Литейное производство. - ФТИМС НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена проблеме повышения ресурса гильз цилиндров автотракторных двигателей путем создания износостойкой мелкодисперсной структуры металла на стадии центробежного литья заготовок.

В работе теоретически обосновано, что для получения заданной структуры и износостойких свойств материала гильз необходима замедленная кристаллизация и охлаждение чугуна в эвтектическом интервале температур 1180...1120 °С, когда возможно влиять на размер и распределение графита, и ускоренное охлаждение в эвтектоидном интервале температур 750...700 °С, когда можно регулировать процесс образования структуры и дисперсность металлической основы.

Для определения режимов теплового воздействия выполнено математическое описание процесса кристаллизации и охлаждения полой цилиндрической отливки, основанное на концепции калориметрической температуры и методе эквивалентной отливки.

Для уменьшения в 2…4 раза теплопроводности центробежной изложницы и воздействия на структурообразование чугуна в эвтектическом интервале температур впервые предложено использовать композиционный материал на основе спрессованных порошков губчатого титана как постоянную облицовку комбинированной литейной формы и торцевых крышек. Облицовка двухслойная: слой, прилегающий к корпусу формы, выполнен из порошков губчатого титана, а слой, контактирующий с жидким металлом, - напылением карбида титана. Предельным параметром пористости спрессованного губчатого титана на основании математического расчета кристаллизации отливки принято - 20% (+3%), а толщина второго слоя, контактирующего с жидким металлом, - 0,2...2 мм. Композиционный состав облицовки: 80% - крупнодисперсный титановый порошок фракции -500...+630 мкм, 10% - порошок титана фракции (-180 мкм) и 10% равномерно распределенного черного литейного графита (2...4 мкм).

Разработан композиционный состав на основе пористого титана и конструкции торцевых крышек центробежных изложниц для литья гильз, использование которых устранило торцевой отбел в отливках.

С целью выравнивания эпюры износа гильзы цилиндра ДВС рассчитаны режимы охлаждения внутренней поверхности центробежной отливки в эвтектоидном интервале температур, а именно - для получения литейной мелкопластинчатой перлитной структуры повышенной износостойкости в зоне верхнего бурта гильзы в 4...6 раз увеличивают интенсивность теплоотвода путем дифференцированной подачи жидкого хладагента.

Запатентованы температурно-временные и пространственные режимы подачи хладагента на внутреннюю поверхность заготовки в эвтектоидном интервале, а именно, при достижении отливкой температуры 950...900 °С искусственное охлаждение проводят со скоростью 1…5 °С/с до температуры 800...750 °С путем продувки отливки сжатым воздухом, а потом до 550...400 °С вместе с воздухом подают жидкий хладагент и охлаждают заготовку со скоростью 15...20 °С/с.

Разработана технология получения на промышленной литейной установке “Ротолит” центробежных заготовок гильз цилиндров автотракторных двигателей с твердостью, которая увеличивается от внешней поверхности к внутренней. Твердость на внутренней поверхности гильзы повышена с 197...229 НВ до 241...269 НВ, а в районе ВМТ - до 269...285 НВ, в то время как твердость на внешней поверхности гильзы составляет 241...269 НВ. Металлическая матрица на рабочей поверхности гильзы состоит из сорбитообразного перлита, отдельных включений двойной фосфидной эвтектики, незначительных включений цементита и малых зерен феррита.

Стендовые испытания двигателей показали, что разработанная технология позволяет увеличить ресурс гильз цилиндров ДВС на 40...50%, а поршневых колец - на 30...50% без существенных затрат. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии в литейном комплексе ПО “Киевтрактородеталь” составляет 1207200 грн./год.

Ключевые слова: гильза, чугун, центробежное литье, изложница, распределение графита, управляемое охлаждение, высокодисперсный перлит, износостойкость.

SUMMARY

Andreev V.I. An increase in the resource of auto-tractor cylinder sleeves through adjustments of the speed of cast iron cooling at spun casting. - Manuscript.

Dissertation submitted as a partial fulfillment of the requirements for obtaining a graduate degree of EngD (Kandidat), speciality 05.16.04 “Foundry” (according to FTIMS NAN of Ukraine, Kyiv, 2007).

The dissertation is devoted the problem of increasing the resource of cylinder sleeves of auto-tractor engines by the means of creating a fine-dyspersated pearlite metallic base of cast iron at the stage of sleeve casting.

To influence the process of crystallization in the eutectic temperature interval and removal of the top and butt-end bleaching, it is suggested to first utilize composite material on the basis of the pressed powders of spongy titan with certain porosity and chemical composition as revetment of the casting form and butt-end lids

There are patented modes that are used to increase wearproofness of the sleeve, such as application of a refrigerant to the internal surface of the centrifugal purveyance in the eutectoid temperature interval for grinding down the pearlite component of the metallic matrix of cast iron, which leads to the quickest cooling of the area of the maximal tearing of the cylinder.

This technology allows increasing the resource of sleeves to forty to fifty percent, and increasing that of piston rings to thirty to fifty percent without substantial expenses.

Keywords: sleeve, cast iron, spun casting, mould, division of graphite, guided cooling, fine-dyspersated pearlite, wearproofness.

Размещено на Allbest.ur