Введение к работе
Актуальность проблемы. Из всех многочисленных требований к транспортному средству определяющим является его надежность, которая обеспечивается конструкционной прочностью силовых деталей на протяжении заданного ресурса эксплуатации. Сталь является основным материалом для высоко-нагруженных деталей транспорта, которые получают механической обработкой из проката, штамповок или литья. Для транспорта наиболее перспективно применение технологии литья по выплавляемым моделям (ЛВМ), так как по этому методу возможно изготовление стальных деталей любой конфигурации без или с минимальным объемом механической обработки. Существующий метод ЛВМ осуществляется плавкой стали в открытых индукционных печах и заливкой форм из ковша не обеспечивает стабильность механических свойств как в разных частях, так и в разных партиях отливок, что связано с ограниченными возможностями управления тепловыми условиями и гидродинамическими параметрами литья. Нестабильность мехсвойств стальных деталей ЛВМ, а также недостаток сведений об их конструкционной прочности ограничивают область их применения в силовых конструкциях транспорта.
С другой стороны, современные представления о строении стали в жидком состоянии и в интервале затвердевания показывают на неиспользованные резервы повышения служебных свойств деталей транспорта и необходимость разработки новых технологических процессов их изготовления с применением давления на кристаллизующиеся расплавы.
Перспективным направлением по расширению области применения литых деталей на транспорте является решение конструкторско-технологических проблем изготовления композиционных материалов на стальной основе, например: систем сталь - твердый сплав, сталь низкоуглеродистая - сталь легированная износостойкая.
Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы, исследования по которой проводились в соответствии с ежегодными Планами работ литейной лаборатории НАПО с 1985 по 1995 гг., Комплексной программой "Разработка и внедрение технологии и оборудования для изготовления тонкостенных фасонных отливок из сталей по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД)" в период 1989-1995гг, утвержденной Зам. министра
МАП А.Г.Братухиным 17сент.1989. г. и Планом работ литейной лаборатори НАПО на 1997-2000 гг.
Цель работы. Создание нового способа литья по выплавляемым моделям кристаллизацией под давлением (ЛВМКД), обеспечивающего изготовлени тонкостенных стальных деталей транспорта с требуемым уровнем конструкщ онной прочности при статических и циклических нагрузках.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задг чи:
определить температурные режимы и давление запрессовки тонкостенны выплавляемых моделей (ВМ) из высокопрочной модельной композици: (МК) и параметры изготовления ВМ из твердых МК методом вибропрессс вания;
обосновать пути совершенствования процессов изготовления многослойны оболочковых форм (ОФ), разработать метод оценки их прочности под силе вым воздействием жидкого метала и экспериментально определить количе ственные показатели гидравлической прочности ОФ в зависимости их спс собов их изготовления, упрочнения и формовки;
обеспечить получение стабильных показателей механических свойств стал; ВНЛ-' з (08Х14Н5М2ДЛ) при плавке в открытой индукционной печи;
установить технологические режимы литья стали под давлением в вакуум тонкостенных деталей с гарантированными механическими свойствами;
обосновать температурный и гидродинамические параметры нового способ литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлениеі (ЛВМКД), исследовать характер течения расплава и характер затвердевани отливок, их свойства и конструкционную прочность при статических и цик лических нагрузках;
освоить в производстве технологию и оборудования литья по выплавляе мым моделям с кристаллизацией под давлением тонкостенных стальных де талей транспорта;
расширить область применения технологий ЛВМКД для изготовления биме таллических композитов сталь - твердый сплав ВК8 и деталей ответственно го назначения из алюминиевых сплавов
Научная новизна работы состоит в том, что в ней обоснованы технологиче-кие параметры процессов изготовления выплавляемых моделей, многослой-ых оболочковых форм, плавки и литья стали.
-
На основе анализа тепловых условий, распределения температур и фазово-о состава стали по сечению металлоприемника, исследований заполняемости онких стенок в зависимости от параметров давления на расплав, его. расхода и емпературы металла на входе в форму и данных по результатам исследования идравлической прочности оболочковых форм создан принципиально новый ехнологический процесс литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией ;од давлением (ЛВМКД), обеспечивающий изготовление тонкостенных сталь-:ых деталей транспорта с гарантированной конструкционной прочностью при татических и циклических нагрузках. Создание способа литья по выплавляе-іьім моделям с кристаллизацией под давлением можно квалифицировать как рупное научно-техническое достижение, не имеющее аналогов в мире, откры-ающее новое научное направление в развитии управляемых процессов литья.
-
Впервые установлены параметры изготовления выплавляемых моделей ме-одом вибропрессования: давление прессования, частота и продолжительность ибровоздействия на модельную композицию.
-
Предложены новые технические решения по совершенствованию меха-[изма формообразования многослойных оболочковых форм. Их качество обес-сечивается за счет: обработки модельных блоков в водном растворе ПАВ, при-іеденном в турбулентно-вихревое состояние, или в кипящем слое зернистого іатериала; приготовления стабилизированной суспензии в закрытой емкости; 'даления воздуха из суспензии при ее нанесении на модельный блок методом іакуумного всасывания; приложения избыточного давления на суспензию и ірименения в качестве обсыпочного материала сферокорунда. Установленные акономерности и технологические параметры процессов формообразования многослойных оболочковых форм открывают новое направление в создании іешевого малогабаритного отечественного оборудования и новый класс формовочных материалов - полых сфер огнеупорных оксидов.
-
Разработан метод гидроиспытаний оболочковых форм. Впервые получены юказатели гидравлической прочности форм ЛВМ, в зависимости от способов їх изготовления, упрочнения и формовки.
5. Впервые проведены работы по изготовлению биметаллических композит сталь-твердый сплав ВК8 способом литья по выплавляемым моделям с kj сталлизацией под давлением и исследованию переходной зоны между стальк твердым сплавом. Создан новый технологический процесс изготовления бт таллических композитов на основе стали, открывающий новую область прш нения литых деталей на транспорте в качестве износостойких материалов t металлических композитов типа сталь низкоуглеродистая-сталь легироваш-износостойкая, сталь-твердый сплав и т.п.
Достоверность результатов исследований подтверждается:
сравнением и сопоставлением полученных результатов с известными аі логами, теорией и экспериментами;
экспериментальные данные получены на проверенном оборудовании в ( ответствии с паспортными техническими характеристиками, оснащенного г паратурой и приборами контроля, записи и регистрации технологических па] метров;
все экспериментальные работы по изготовлению, анализу, контролю, і пытаниям образцов и деталей проведены в соответствии с утвержденной Ш обученным и арестованным персоналом.
Практическая ценность работы заключается в том, что решена важная д народного хозяйства проблема изготовления тонкостенных стальных детал транспорта с гарантированной конструкционной прочностью при статическш циклических нагрузках. Организовано опытно-промышленное произведет стальных деталей по методу ЛВМКД, изготовлены установка и технологи1 екая оснастка, создан участок ЛВМКД. Разработана в полном объеме констр} торско-технологическая документация. Внедрено в производство устройст изготовления крупногабаритных деталей ЛВМКД. Получены количественн: данные конструкционной прочности стали ВНЛ-3 при статических и цикл ческих нагрузках в зависимости от способов изготовления стальных детал транспорта.
Внедрен в производство, технологический процесс изготовления тонкосте ных выплавляемых моделей (ВМ) сложной конфигурации из высокопрочн модельной композиции (МК) МВС-ЗА. Разработана опытно промышленная ) тановки изготовления ВМ методом вибропрессования.
Разработана установка и внедрен в производство техпроцесс подготовки по-ерхности модельных блоков (МБ) в водном растворе ПАВ, приведенном в урбулентно-вихревое состояние параллельными струями сжатого воздуха, 'азработаны установка приготовления, хранения и нанесения суспензии на МБ іетодом вакуумного всасывания с последующим приложением на нее избы-очного давления. Разработана установка выплавления МБ из ОФ. Проведены ;роизводственные испытания сферокорунда в качестве обсыпочного материала ОМ) и наполнителя форм ЛВМ. Разработана установка и внедрен метод гид-оиспытаний ОФ.
Внедрены в производство результаты работ по стабилизации мехсвойств ста-и ВНЛ-3 при плавке в открытой индукционной печи, а именно: технология іутеровки печей шпинельными порошками; раскисление сталей лигатурой ФС О РЗМЗО; устройство термостатирования проб горячей магнитной индукции; риборы потенциометры с модернизированным механизмом вращения диска; :оплавочный контроль азота и режим старения деталей после закалки в зави-имости от его содержания в стали.
Разработана конструкторско-технологическая документация на изготовление іиметаллического режущего инструмента методом ЛВМКД. Проведены произ-одственные испытания работоспособности резцов и фрез. Внедрено в произ-одство изготовление деталей ответственного назначения из алюминиевых плавов методом ЛВМКД.
Личный вклад автора в представленной работе. Автор внес определяющий клад в постановку, обоснование и осуществление программ исследований. Он вляется автором основных идей и выводов, изложенных в работе, лично им [аписано большинство заявок на изобретения, статей и сделаны выступления [а конференциях и семинарах. Автор принимал непосредственное участие в іазработке и создании экспериментальных и опытно-промышленных устано-ок, внедрении их в производство, разработке методик и проведении экспери-іентов, обработке их результатов.
Апробация работы. Материалы диссертации и основные результаты работы укладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях НАПО г.Новосибирск ,1986-1992 гг.), семинарах областного правления НТО Маш-;ром (г. Новосибирск ,1986-1990 г.г. )., отраслевом семинаре "Автоматизация іроцессов литья по выплавляемым моделям" ( г.Москва, 1989г.), Межотрасле-
вом Экспертном Совете по содействию внедрению научно-технических до жений (г.Москва ,1989г.), межотраслевой конференции "Управление техн гическими процессами литья и свойствами отливок" (г. Москва,! г.),совещании "Управление структурообразованием и свойствами в отлив (г.Самара, 1991 г.), межрегиональной конференции "Прогрессивные техн гические процессы в литейном производстве" (г.Хабаровск 1991 г.), Респуі канском семинаре "Методы контроля и исследований в производстве отлі по выплавляемым моделям"(г..Москва,1992г.), Республиканской нау1 технической конференции "Проблемы прочности и усталостной долговечнс материалов и конструкций"( г. Новосибирск ,1997 г.); Всероссийской нау1 технической конференции "Технологии, оборудование и производство ине мента для машиностроения и строительства" (г. Новосибирск, 1999 г.); Трет Российско-Корейском Международном симпозиуме "KORUS'99" (г. Нове бирск, 1999 г.); региональной научно-практической конференции и выста "Транссиб-99"( г. Новосибирск, 1999 г).
Публикации. Материалы работ опубликованы в 36 статьях, описаниях 11 торских свидетельств, получено 4 Патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, чет; главы, раздел общие выводы и основные результаты работы, список литерг ры 206 наименований и два приложения. Объем диссертации без приложи 190 стр., включая 86 рисунков и 12 таблиц.