Рис.1. Эскиз технологии получения отливки втулки гильзы цилиндра судового дизеля ДБ72: 1 - литниковый стержень; 2 - прибыль; 3 - кольцо для образцов; 4 - холодильники 60x20x400мм (50шт на 1ряд); 5 - холодильники 60x20x170мм (28шт); 6 - центровой стержень; 7 - патрон; 8 - обработанная втулка; 9 - отливка втулки; 10 - формовочная смесь; 11 - ребро опоки; 12 - опока

В настоящее время отливки втулок гильз цилиндров судовых дизелей большой мощности в ЗАО "УК "БМЗ" изготовляют из специального серого низколегированного чугуна марок PVA, "Таркаллой", "Таркаллой С". Толщина стенок таких отливок достигает 151 мм, длина - 3 м, масса составляет от 3000 до 7500 кг. Отливки втулок изготовляются в моноформах из двух половинок (по высоте отливок), получаемых шаблонной заточкой из песчано-шамотной смеси (рис.1). Такие формы не имеют равномерной плотности и имеют в разных частях разную толщину смеси, поэтому обладают неравномерной теплопроводностью, что не обеспечивает равномерный отвод тепла по высоте и всей поверхности отливок.

Анализ данных о браке отливок втулок, изготовленных в ЗАО "УК "БМЗ" за ряд лет, показал, что по рыхлоте и гидротечи брак достигал 20%. В связи с этим появилась необходимость проведения анализа и оптимизации существующей литейной технологии.

Исследования показывают, что на формирование микроструктуры и свойств чугуна массивных отливок типа втулок влияет множество факторов [1], характер и степень влияния которых можно адекватно оценить только методами компьютерного моделирования.

С целью установления влияния химического состава на структурное строение и свойства чугуна отливок втулок провели регрессионный анализ свойств отливок втулок, химический состав которых находится в допустимых техническими условиями пределах. В результате получили математические зависимости. На их основе определили, что при среднем химическом составе втулочного чугуна не обеспечиваются требуемые механические свойства и структура отливок втулок.

Варьирование только химического состава не решает данной проблемы, так как в условиях производства он может быть разным в каждой отливке. Поэтому возникла необходимость разработать и апробировать в условиях производства и другие способы управления структурой и свойствами втулочного чугуна.

Существенное влияние на механические свойства втулочного чугуна, особенно на его прочность, оказывает наличие в его структуре пористости, которая зависит в значительной степени от жидкотекучести и усадки чугуна. Усадочная пористость зависит от многих факторов, однако применительно к втулочному чугуну, как показывают исследования, - в основном от химического состава и режима затвердевания металла в форме. Существующая технология приводит к малой скорости затвердевания при малом температурном градиенте отливки в форме.

Длительная кристаллизация жидкого чугуна отливки втулки и последующее её очень медленное охлаждение до выбивки из формы (в течение 15-20ч) приводит к формированию в ней крупнозернистой структуры, неблагоприятной формы включений графита (в виде крупных веток), образованию усадочных пор, снижающих прочность металла.

С учётом изложенного проведено компьютерное моделирование охлаждения и затвердевания отливки втулки ДБ72 в существующей форме по действующему техпроцессу с использованием программы Solid Cast. Данная отливка изготовляется в соответствии с ТУ из специального низколегированного серого чугуна марки "Таркаллой C" (прочность металла ? 250 МПа, толщина стенок - от 76 до 131 мм, масса - 3700 кг). Для повышения точности моделирования по специально разработанной нами методике определены основные теплофизические свойства втулочного чугуна и различных составов форм.

По результатам моделирования ярко выраженных концентрированных усадочных раковин, выходящих за пределы прибыли отливки, выявлено не было. Однако наблюдаются дефекты, предположительно в виде пористости, на границе перехода от массивного к более тонкостенному сечению (рис.2). Для уточнения возможных причин брака рассмотрели дополнительные расчётные параметры.

Рис.2. Возможные места дефектов усадочного происхождения

кристаллизация отливка втулка судовой дизель

Рис.3. Интенсивность охлаждения по сечению отливки

Согласно рис.3, наиболее высокая скорость охлаждения достигается в местах простановки холодильников, однако между холодильниками скорость охлаждения значительно ниже, т.е. в этих местах образуются локальные тепловые узлы, где кристаллизация происходит позднее. Можно предположить, что обнаруживаемое при контроле образование мелких пор и раковин, выходящих на внутреннюю поверхность отливки втулки, связано с возникновением таких зон.

Время затвердевания металла отливки позволяет проследить динамику процессов затвердевания в отливке и локализовать изолированные зоны расплавленного металла. Из рис.4 видно, что металл в районе нижнего ряда холодильников полностью кристаллизуется через 160 мин после начала заливки, а массивная часть, через которую происходит питание этого участка, - уже через 30 мин.

Это свидетельствует о наличии изолированных объёмов жидкого металла в процессе кристаллизации (рис.5). Можно предположить, что жидкая фаза в районе нижнего ряда холодильников способна привести к появлению небольших раковин или пористости в теле отливки.

Рис.4. Время достижения полностью твёрдого состояния отливки

Для выяснения эффективности работы холодильников и их влияния на процесс кристаллизации проведено моделирование процесса кристаллизации отливки втулки без холодильников.

Такое моделирование показало, что ярко выраженные дефекты, такие как усадочные раковины и пористость, выходящие за пределы прибыли, отсутствуют. Однако кристаллизация отливки в её подприбыльной части будет проходить в этом случае в последнюю очередь. Так, из рис.6 видно, что примерно через 500 мин после начала заливки твёрдо-жидкая фаза сохраняется в подприбыльной части отливки. Это может приводить к образованию в данной зоне дефектов в виде пористости и рыхлот.

Рис.5. Объёмы жидкого металла через 12 мин после окончания заливки (показаны тёмным цветом)

Рис.6. Твёрдо-жидкая фаза через 500 мин после начала заливки в форме без холодильников (показана тёмным цветом)

Итак, большая масса отливок втулок и разные теплофизические свойства формы по её длине обусловливают разную скорость кристаллизации в разных частях отливки. Это приводит к формированию неравномерной структуры графита и металлической основы в разных частях отливки втулки. В процессе кристаллизации наблюдаются изолированные объёмы жидкого металла, что свидетельствует о неэффективной работе прибыли отливки. В результате в рабочей зоне втулки образуется усадочная пористость и рыхлота, чему дополнительно способствует и простановка мощных холодильников в некоторых зонах формы, поэтому необходимо изменять технологию получения отливок втулок в следующих направлениях:

1. Внедрение технологии регулируемого охлаждения за счёт стопочной формовки, при которой форма состоит из отдельных частей с разными теплофизическими свойствами по высоте отливки (теплоаккумулирующие, формирующие прибыль отливки; захолаживающие, формирующие место отрезки кольца на механические испытания, и т.п.), это позволяет сократить время процесса охлаждения и затвердевания металла и обеспечить направленное затвердевание отливки благодаря набивке разных частей формы различными формовочными смесями. Созданный температурный градиент по высоте отливки позволяет вытеснить усадочную рыхлоту из рабочей части отливки в прибыльную. Увеличение тепловой активности стержня позволяет сместить тепловую ось, т.е. место образования пористости, из рабочей зоны (внутренняя поверхность) в центр отливки.

2. Внедрение технологии суспензионной заливки позволяет резко сократить стадию снятия перегрева, повысить эффективность модифицирования и воздействовать на кристаллизацию отливки путем измельчения структуры. Важной особенностью суспензионной заливки является то, что она практически полностью подавляет процесс образования пористости и рыхлоты в отливке.

3. Совмещение стопочной формовки и суспензионной заливки позволяет использовать преимущества обоих способов.

4. Внедрение технологии центробежной заливки и кристаллизации отливок во вращающейся металлической форме способствует радикальному изменению условий кристаллизации отливок втулок и формированию в них микроструктуры, обеспечивающей высокие механические свойства чугуна.

Список литературы

1. Чугун: справочник / А.Д. Шерман, А.А. Жуков, Э.В. Абдуллаев, И.О. Пахнющий; под ред.А.Д. Шермана, А.А. Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 574 с.

Размещено на Allbest.ru