Введение к работе
Актуальность проблемы. Отливка коленчатого вала является одной из наиболее ответственных деталей двигателей автомобилей. Исходя из условий эксплуатации, коленвалы должны обладать высокими и стабильными показателями физико-механических и служебных свойств, иметь высокую размерную точность при отсутствии любых дефектов, опасных для эксплуатации литых изделий. В специальной технической литературе неоднократно указывалось на целесообразность применения чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) для изготовления колепиалов двигателей автомобилей.
Анализ современных тенденций развития легкового автомобилестроения показал, что наибольшее распространение имеют автомобили с четырехнилиндроными двигателями. Конструкция литых коленчатых валов многих автомобилей не имеют существенных различий, как по конфигурации, так и по весу отливки. В качестве примера можно провести: "Peugeot", "Renault" (Франция), "Fiat" (Италия), "Дачия" (Румыния), "Жигули" всех модификаций завода ВАЗ (Россия). В связи с этим требования к свойствам и структуре ЧШГ в отливках колепиалов практически идентичны.
Традиционные способы получения отливок коленвалов с применением извлекаемых моделей не всегда обеспечивают высокий уровень точности, необходимого качества поверхности, снижение массы и себестоимости деталей. Для получения точных отливок коленвалов предпочтительно использовать способ литья по газифицируемым моделям в вакуумируемых формах (ЛГМ- процесс). Все более широкое применение этого способа обусловлено малоотходным технологическим процессом получения отливок повышенной точности при снижении энергетических, материальных, капитальных затрат и увеличении выхода годного. Сравнительный анализ технико-экономических показателей разных способов литья и ЛГМ-нроцесса показал, что применение последнего позволяет снизить себестоимость литых деталей из чугуна на 15-30% по сравнению с литьем в песчаные формы, на 20-30% по сравнению с литьем в облицованные кокили и на 30-45% по сравнению с литьем в оболочковые формы.
Это послужило основанием для проведения комплекса исследований по разработке технологии получения отливок
коленчатых налов из ЧШГ но газифицируемым моделям для легковых автомобилей.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и внедрение универсального технологического процесса получения отливок коленчатых валов легковых автомобилей с четырехцилиндровыми двигателями из ЧШГ при ЛГМ-нроцессе. Для этого класса двигателей коленчатые валы нз ЧШГ должны отвечать следующим требованиям: 1. по структуре металлической основы -перлит > 75%, феррит < 25%, цементит < 2%; 2. по характеристике графитной составляющей - количество включений графита N > 70 шт/мм2, диаметр включений графита Граз < 60 мкм; 3. но свойствам - ст„>750МПа, ао,2> 450МШ, 8 > 3 %, НВ=241-269, предел выносливости коленвала на испытательном стенде более 210 циклов.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены н решены следующие основные задачи:
определены гидродинамические параметры заполнения формы при ЛГМ-процессе (скорость подъема металла в форме и время ее заполнения);
установлены закономерности движения металла в каналах литниковой системы (ЛС) и в форме с газифицируемой моделью;
усовершенствована физика-математическая модель ЛГМ-процесса;
- методами физического моделирования изучено влияние литейных
фильтров на режим течения расплава в каналах ЛС и процесс
заполнения вакуумирусмых форм;
получены данные о влиянии основных технологических параметров ЛГМ-ироцесса на показатели качества отливки коленвала;
изучено влияние температурных режимов обработки расплава чугуна, комплексного легирования, инокулироваиия и термической обработки на формирование структуры, физико-механических и служебных свойств отливок коленвалов;
получены количественные зависимости структурных характеристик и механических свойств от степени легирования чугуна в литом состоянии и после нормализации;
разработаны методика оптимизации и инженерные методы расчета технологических параметров процесса получения отливок коленчатых валов нз ЧШГ при ЛГМ-процессе.
Научная новизна. На основании законов течения жидкостей выведены маїсматгіческис зависимости для расчета скорости подъема
металла в форме и времени ее заполнения, которые являются )сновными характеристиками гидродинамики движения расплава в штсйпой форме с газифицируемой моделью, зависящими от геометрии отливки, типа и параметров ЛС, давления парогазовой фазы в зазоре чежду моделью и расплавом.
Уточнена с учетом типа и параметров ЛС физико-математическая чодель ЛГМ-нроцесса, позволяющая рассчитать основные показатели газогндродинампки заполнения формы, прогнозировать качество отливки и управлять заполнением формы с целью устранения дефектов отливки, связанных с термодеструкциен газифицируемой модели.
Методом физического моделирования установлено влияние различных видов литейных фильтров на режим течения расплава и каналах ЛС и на процесс заполнения вакуумируемой формы с газифицируемой моделью (ГМ).
На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований установлено комплексное влияние модифицирования, вторичного модифицирования и термической обработки на формирование первичной и вторичной структуры, обеспечивающей получение регламентированных свойств в литом коленпале.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные зависимости и матсмачическне модели влияния основных параметров ЛГМ-нроцесса на показатели качества отливки, а также влияния степени легирования на структуру, физико-механические и служебные свойства могут быть использованы при выборе технологических параметров производства отливок коленчатых валов данного класса двигателей при ЛГМ-процессе.
Результаты исследования влияния температурных режимов перегрева, модифицирования, инокулироваиия и заливки на формирование структуры и механических свойств ЧШГ, позволяют оптимизировать технологические параметры при получении отливок коленчатых валов при ЛГМ-процессе..
На основании проведенного комплексного исследования разработана универсальная технология получения качественных отливок коленчатых валов из ЧШГ для легковых автомобилей с использованием ЛГМ-процесса. Внедрение этой технологии для производства коленвалов легковых автомобилей румынского производства "ДАЧИЯ" на заводе "АЛФОР" (Румыния) взамен литья в песчаные формы на линии "Дисаматик", позволило снизить
себестоимость одной отливки на 5,60 $ США, и достичь экономического эффекта в размере 414 S США/Іт годного литья. На защиту выносятся:
зависимости для определения гидродинамических параметров заполнения формы металлом при ЛГМ-процсссс: скорость подъема металла и время заполнения формы, как функции от геометрии отливки, типа, параметров ЛС и давления парогазовой фазы в зазоре "металл-модель".
усовершенствованная физико-математическая модель ЛГМ-процесса, которая учитывает тины и параметры ЛС, скорость подъема металла и время заполнения формы.
экспериментальные зависимости и математические модели влияния основных параметров ЛГМ-процссса на показатели качества отливки коленвала, а также влияния степени легирования марганцем, медью, никелем и молибденом па структуру, физико-механические и служебные свойства коленвала при ЛГМ-нроцессе.
результаты исследований влияния температурных режимов перегрева расплава, модифицирования, ннокулировапнк и заливки на структуру и механические свойства ЧШГ.
- методика оптимизации и расчета основных технологических
параметров, обеспечивающих получение высококачественных отливок
коленчатых валов из ЧШГ но газифицируемым моделям дли легковых
автомобилей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции "Новые технологии и маркетинг в литейном производстве" (г. Киев, 1995г.), международной конференции "Il-nd Romanian National Metallurgical Conference" (fiucharest, 1995г.), научных семинарах Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 134 наименовании, приложений и содержит 242 страниц машинописного текста, 55 рисунков и 32 таблиц.