Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ влияния структурообразующих факторов на формирование строения и свойства массивных отливок из серого чугуна 10
1.1 .Условия эксплуатации, технология производства и основные требования, предъявляемые к массивны от ливкам цилиндровых втулок из серого чугуна 10
1.2. Связь параметров структуры и свойств серого чугуна 12
1.3. Анализ влияния структурообразующих факторов на структуру серого чугуна и методы прогнозирования структуры и свойств отливок из него 17
1.4. Тепловое взаимодействие металла и формы и методы определения характеристик процессов кристаллизацииотливок 24
1.5. Анализ теплового взаимодействия металла и ф ормы 37
1.6 Обзор компьютерных систем моделирования литейных процессов 41
1.7. Цель и задачи работы 44
ГЛАВА 2. Методика исследований 46
2.1. Методика компьютерного моделирования кристалл лизации массивной отливки типа втулки цилиндров
судового дизеля большой мощности 46
2.2. Методика экспериментальных исследований влияния химического состава на процесс структурообразования и формирования механических свойств отливок из чугуна 47
2.3. Методика определения влияния химического состава втулочного чугуна на его усадку и жидкотекучесть с применением математических методов планирования экспериментов и компьютерного моделирования 52
2.4. Методика исследований влияния толщины стенок отливок втулок из втулочного чугуна на их механичес з
кие свойства и микроструктуру 57
2.5. Методика снятия кривых охлаждения отливок втулок 58
2.6. Методика отработки оптимальной технологии получения отливок втулки с повышенными свойствами 59
2.6.1. Методика отработки оптимальной технологии получения отливок втулок в стопочной форме 59
2.6.2. Методика отработки оптимальной технологии изготовления отливок втулок центробежным литьем 61
2.7. Методика модифицирования чугуна для получения массивных отливок втулок 61
2.8. Методика проведения процесса плавки металла
2.8.1. Выплавка чугуна при проведении экспериментальных исследований 62
2.8.2. Выплавка чугуна при проведении опытно-промышленных исследований 63
2.9. Методика проведения металлографических исследо ваний и химического анализа чугуна 64
2.10. Методика проведения механических испытаний 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования влияния различных структурообразующих факторов на формирование микроструктуры, свойств и макростроения массивных отливок из чугуна типа отливок втулок судовых дизелей 65
3.1. Исследование влияния скорости охлаждения на микроструктуру и механические свойства отливок разной толщины из втулочного чугуна и разработка на этой основе оптимального химического состава для обеспечения заданных ТУ значений микроструктуры и свойств отливок втулок судовых дизелей 65
3.2. Исследование зависимости механических свойств чугуна отливок втулок от его химического состава и параметров его структуры с применением корреляционно-регрессионного анализа 73
3.2.1. Исследование зависимости механических свойств чугуна отливок втулок от параметров его микроструктуры 73
3.2.2. Исследование влияния химического состава на структуру и механические свойства втулочного
чугуна 80
3.3. Исследование влияние химического состава на усадку и жидкотекучесть втулочного чугуна, применяемого для изготовления массивных отливок втулок судовых дизелей большой мощности 89
3.3.1. Исследование влияния химического состава втулочного чугуна на его усадку и жидкотекучесть с применением математического метода планирования экспериментов 89
3.3.2. Компьютерное моделирование объемной усадки втулочного чугуна в отливках шаров 0 100 мм 98
3.4. Исследование влияния модифицирования и микролегирования на структуру и свойства массивных от ливок из чугуна типа отливок втулок судовых дизелей в условиях длительной их кристаллизации 100
3.5. Рекомендации для опытно-промышленных исследований 110
ГЛАВА 4. Опытно-промышленные исследования по выбору оптимального состава шихт и оптимальной технологии выплавки различных марок втулочного чугуна в индукционных электропечах для отливок втулок и исследования условий их кристаллизации в форме
4.1. Исследования по выбору оптимального технологического процесса выплавки различных марок втулочного чугуна в индукционных электропечах 111
4.2. Исследование структуры и свойств отливок втулок судовых дизелей, изготовленных из втулочного чугуна оптимального химсостава 112
4.3. Исследование влияния условий кристаллизации массивных отливок втулок на их структуру и свойства 115
4.4. Выводы и рекомендации для разработки новой технологии изготовления отливок втулок с высокими
свойствами 126
ГЛАВА 5. Разработка оптьимальнои технологии получения отливок втулок с высокими свойствами 128
5.1. Характеристика существующей технологии получения отливок втулок на ЗАО «УК «БМЗ» 128
5.2. Компьютерное моделирование затвердевания и охлаждения отливок втулок по действующему техпроцессу 130
5.3. Разработка и опытно-промышленное опробование новой технологии изготовления отливок втулок гильз
судовых дизелей в стопочных формах 137
5.4. Разработка и опытно-промышленное опробованиеновой технологии изготовления массивных отливок втулок судовых дизелей центробежным литьем в металлические изложницы 141
5.4.1. Разработка нового технологического процесса изготовления центробежным литьем отливки «Втулка ДБ14» 141
5.4.2. Исследование структуры и свойств опытных заготовок отливок втулок судовых дизелей, полученных центробежным литьем 150
5.5. Расчет технико-экономической эффективности от внедрения в производстве на ЗАО «УК «БМЗ» научных разработок настоящей работы 152
Основные выводы 156
Список использованной литературы
- Анализ влияния структурообразующих факторов на структуру серого чугуна и методы прогнозирования структуры и свойств отливок из него
- Методика отработки оптимальной технологии получения отливок втулки с повышенными свойствами
- Исследование зависимости механических свойств чугуна отливок втулок от его химического состава и параметров его структуры с применением корреляционно-регрессионного анализа
- Исследование структуры и свойств отливок втулок судовых дизелей, изготовленных из втулочного чугуна оптимального химсостава
Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство судовых дизелей большой мощности (до 40 тысл.с.) осуществляется единственным предприятием в России и СНГ - ЗАО «Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» (ЗАО «УК «БМЗ»). В гильзах цилиндров этих дизелей используются литые чугунные втулки массой до 7,5 т с толщиной стенок до 150 мм, к которым предъявляются высокие эксплуатационные требования - они должны обеспечивать работу дизелей в течение 60 тыс. ч. Отливки втулок изготавливаются из низколегированного серого чугуна, и в каждой отливке в соответствии с ТУ контролируются: предел прочности на растяжение Ов и твердость НВ чугуна, его микроструктура, химический состав, плотность отливки. На ЗАО «УК «БМЗ» отливки втулок изготовляются в песчано-глинистых формах, в которых не обеспечиваются условия стабильного получения заданной микроструктуры и механических свойств чугуна. Поэтому оптимизация технологических процессов, обеспечивающих получение чугуна заданной микроструктуры и высоких механических свойств в массивных отливках втулок цилиндров судовых дизелей большой мощности, является актуальной проблемой.
Цель работы. Оптимизация технологических процессов, обеспечивающих получение чугуна заданной микроструктуры и Ов до ЗООМПа в массивных отливках втулок цилиндров судовых дизелей большой мощности.
Задачи работы. 1. Исследования влияния химического состава и модифицирования серого чугуна на его микроструктуру, механические свойства и усадку в массивных отливках.
Выбор оптимального химического состава и модифицирования втулочного чугуна, обеспечивающих механические свойства и микроструктуру отливок втулок в соответствии с требованиями ТУ.
Исследования влияния наследственных свойств шихтовых материалов на микроструктуру и свойства втулочного чугуна и разработка оптимальной технологии его выплавки для отливок втулок.
Исследования влияния фактических условий кристаллизации отливок втулок на формирование микроструктуры чугуна в них.
Исследование с помощью компьютерного моделирования процессов кристаллизации отливок втулок.
Разработка и внедрение оптимальных технологических процессов получения отливок втулок с заданной ТУ структурой чугуна и его прочностью до 300 МПа.
Общая методика исследований. Основные результаты работы получены проведением экспериментальных и опытно-промышленных исследований, в ходе которых использовались математические методы планирования экспериментов, ко-релляционно-регрессионного анализа, компьютерного моделирования процессов кристаллизации отливок втулок. Изучаемые параметры получены с помощью определения характеристик механических свойств, микроструктуры и химического состава чугуна в отливках втулок.
Научные положения диссертации, выносимые на зашиту, и их научная новизна:
- найдены математические зависимости влияния химического состава и модифицирования низколегированного серого чугуна на его микроструктуру, механические свойства и усадку в массивных отливках;
- разработаны 2 варианта оптимального химического состава втулочного чу
гуна, обеспечивающие получение заданных ТУ характеристик микроструктуры и
свойств массивных отливок втулок:
состав №1 для отливок втулок с толщиной стенок 120-150 мм и массой 3,5-7,0 т (%): 2,9-3,1 С, 0,9-1,15 Si, 0,7-0,8 Мп, 0,25-0,35 Р, <0,04 S, 0,10-0,25 V, 1,35-1,5 Си, 0,01-0,02 Ті, 0,03-0,04 В;
состав №2 для отливок втулок с толщиной стенок 80-110 мм и массой 1,5-3,0 т (%): 3,1-3,2 С, 1,25-1,40 Si, 0,7-0,8 Мп, 0,25-0,35 Р, <0,04 S, 0,15-0,20 V, 1,05-1,15 Си, 0,01-0,02 Ті, 0,02-0,03 В.
установлены фактические условия кристаллизации различных типов массивных отливок втулок в существующих формах, позволяющие управлять направленной их кристаллизацией и формированием микроструктуры;
на основе компьютерного моделирования процессов заливки и кристаллизации массивных отливок втулок выявлены места образования в них усадочных дефектов;
разработан и внедрен в чугунолитейном цехе ЗАО «УК «БМЗ» способ внут-риформенного модифицирования чугуна для отливок втулок использованием специальной чаши, что отражено в технологической инструкции на заливку чугуна для них.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
разработаны и внедрены в технологическую инструкцию ЗАО «УК «БМЗ» ТИ № 240401.25010.00329-05 оптимальные химические составы втулочного чугуна, обеспечивающие получение заданных ТУ значений параметров микроструктуры и механических свойств в различных типах отливок втулок;
разработан и внедрен в технологической инструкции ЗАО «УК «БМЗ» ТИ №240401.25010.00329-05 оптимальный технологический процесс выплавки синтетического чугуна высокого качества оптимального химического состава из оптимальной шихты для отливок втулок в промышленных индукционных электропечах;
разработаны и прошли опытно-промышленные испытания оптимальные технологические процессы получения отливок втулок в стопочных формах и центробежным способом, обеспечивающие получение их с заданными ТУ значениями параметров микроструктуры и 0в чугуна до 300 МПа;
- внедрение научных разработок настоящих исследований на ЗАО «УК
«БМЗ», подтвержденных актом внедрения, обеспечивает годовой экономический
эффект: достигнутый 1,47 млн. руб. в год, ожидаемый от 6,866860 до 16,411 млн.
руб. год.
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных методов исследований - математических, компьютерного моделирования, структурного, химического анализа, механических испытаний металлов, проведением большой серии экспериментальных и опытно-промышленных исследований.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в формировании научной проблемы, связанной с разработкой оптимальных технологических процессов получения массивных отливок втулок с заданной структурой и механическими свойствами чугуна, и постановке задачи исследования, в непосредственном участии на всех этапах проведения теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований, в анализе и использовании на производстве полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях: на 6-й международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 22-23 мая 2008 г.), на 58-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ.
Публикаиии. По теме опубликовано 11 работ, из которых 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации: Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 187 наименований и содержит 187 страниц текста, 64 рисунка и 36 таблиц, одно приложение (акт внедрения).
Анализ влияния структурообразующих факторов на структуру серого чугуна и методы прогнозирования структуры и свойств отливок из него
Атомарно-молекулярное и структурное строение металла, а, следовательно, и его механические свойства существенно зависят от химического состава чугуна. Вопросами теории графитизации и структурообразования в чугунах занимались И.Н. Богачев [11], К.П. Бунин [12, 13], К.И. Ващенко, Н.Г. Гиршович [25], А.А. Горшков, А.А. Жуков [40-46, 187], Н.Н. Александров [2, 96], Л.М. Романов, И.К. Кульбовский, Г.И. Сильман [117-119], Я.Н. Малиночка, М.А. Криштал, Б.С. Мильман [101], В. Паттерсон [183], В. Овен, В. Тиллер, А. Виттмозер и др. На основании работ этих и других ученых можно сделать следующие выводы.
Важнейшими элементами, влияющими на механические свойства и микроструктуру чугуна, являются углерод и кремний. Углерод способствует графитизации, укрупнению графита, ликвидирует его нежелательную ориентацию, увеличивает количество феррита в матрице. Кремний на степень графитизации влияет аналогично, но слабее. В общем случае при увеличении содержания кремния величина отбела и размер включений графита снижаются. Однако общепризнанным можно считать благоприятное влияние большого количества графита на износостойкость, т.к. он выполняет роль твердой смазки, вследствие чего для повышения износостойкости следует предпочитать чугуны с более высоким содержание углерода и пониженным содержанием кремния, т.к. углерод повышает количество графита в чугуне и размер его включений.
Проблема выбора оптимального химического состава для чугунных отливок различного назначения достаточно освещена в литературе [23, 39, 78, 106, 107, 167].
Для износостойких отливок рекомендуется широко использовать небольшие добавки Ni, Сг, V, Си, Sb и Мо, способствующие получению в отливке равномерной дисперсной структуры и стабилизирующие ее свойства при механическом и тепловом воздействии. Согласно работам [70, 78, 95] для некоторых видов изнашивания полезно оказывается присутствие небольшого количества избыточных вторичных карбидов или фосфидов с равномерным их распределением в металлической основе серого чугуна. Никель и медь оказывают незначительное графитизирующее влияние, размельчают графит, не способствуют кристаллизации междендритного графита. Благодаря перлитизирующему воздействию эти элементы повышают механические свойства чугуна, они оказывают благоприятное влияние с точки зрения формы, размеров и характера распределения графитовых включений в отливках.
Алюминий является сильным графитизатором чугуна. При его увеличении до 1 % он способствует ферритизации и образованию междендритного графита, что снижает механические свойства чугуна [44, 58, 70, 169].
Элементы Сг, V, Мо, и Мп являются карбидообразующими и снижают степень графитизации и увеличивают содержание структурно свободного цементита в структуре чугуна.
Механизм влияния указанных элементов заключается главным образом в легировании матрицы и измельчении продуктов распада аустенита. Способствуя перлитизации структуры, эти элементы интенсивно повышают прочность и твердость, снижая вязкость и пластичность чугуна. Так, при введении 0,15-0,25 % V в чугун резко увеличивается количество перлита и его дисперсность в металлической матрице, измельчаются пластинки графита, что увеличивает прочность чугуна. Износостойкость отливок из легированного V чугуна возрастает в 1,3-2 раза [36, 70, 106]. Элементы Мо, Сг и V увеличивают ликвацию фосфора, что приводит к разуплотнению чугуна после эвтектической кристаллизации.
Влияние фосфора на механические свойства чугуна сказывается благодаря легированию цементита, размельчению эвтектического зерна и образованию включений фосфидной эвтектики. При этом повышается прочность и твердость чугуна, однако повышенное содержание фосфора приводит к выделению большего количества фосфидной эвтектики, особенно неблагоприятной ее формы в виде сплошной сетки, при которой понижаются свойства чугуна [70, 95, 169].
С повышением содержания фосфора повышается пористость чугунных отливок. Хром, сера и марганец, другие элементы, тормозящие графитизацию, способствуют увеличению усадочных пустот. Кислород и азот при нормальных концентрациях не влияют на величину объема усадочных пустот, а водород увеличивает их объем.
Из малых примесей следует отметить прежде всего бор, который способствует выделению измельченных карбонитридов, что повышает механические свойства серого чугуна. Согласно данным исследования влияния бора и фосфора на структуру и механические свойства толстостенных отливок цилиндровых гильз [166], чугуны, легированные 0,03 -0,06 % В и 0,3-0,4 % Р, имеют высокие механические свойства, они повышают однородность структуры графита и металлической основы в толстостенных отливках.
Благоприятное влияние специальных элементов на свойства чугуна возрастает при его модифицировании и комплексном легировании, что позволяет шире использовать специальные элементы, в том числе иногда даже такие, которые в отдельности действуют отрицательно. Согласно работам [59, 65, 87, 92, 106, 123, 159], среди модификаторов с позиции силы влияния и длительности модифицирующего эффекта наиболее эффективными являются силикобарий и силикокальций. Однако особенности механизма модифицирования в условиях длительной кристаллизации массивных отливок втулок из втулочного чугуна изучены недостаточно.
Имеющиеся данные дают качественную картину структурообразования в чугуне. Управление же структурой чугуна за счет варьирования его состава в установленных пределах возможно только на основе соответствующих количественных зависимостей. Для чугуна зависимости всех параметров структуры и макростроения отливок от химсостава получены на основе исследований И.К. Кульбовского [70]. Результаты исследований свидетельствуют, что химсостав и технология выплавки сплава значительно влияют на структуру и механические свойства отливок. Однако обеспечить стабильное качество массивных отливок типа втулок только за счет оптимизации режима плавки и варьирования химического состава в узко регламентированных ТУ пределах сложно.
Методика отработки оптимальной технологии получения отливок втулки с повышенными свойствами
Коэффициент Г2 является критерием, на базе которого определяется уравнение, наилучшим образом аппроксимирующее имеющиеся данные. Так, если г 0,5, то считается, что имеется корреляционная зависимость изучаемых свойств от переменных факторов.
Изучение многофакторных объектов наиболее эффективно с помощью активных методов эксперимента, базирующихся на планировании многофакторного эксперимента [1, 55]. В этом случае исследователь проводит эксперименты по специально разработанной методике, отказывается от строго детерминистического описания изучаемого явления и переходит к вероятностному описанию. В работе использованы оба принципа построения эмпирических зависимостей: как пассивный эксперимент (статистическая обработка массива опытных данных), так и активное планирование экспериментов. В качестве методов активного эксперимента применены математические методы планирования дробных факторных экспериментов. При исследовании формирования параметров качества отливки необходимо учитывать большое число факторов, влияющих на данный процесс. Это предполагает проведение большого числа опытов. В то же время считается, что подавляющее число процессов с достаточной для практики точностью могут быть описаны полиномами типа полинома первой степени. В связи с этим, в исследованиях приняты планы дробного факторного эксперимента, для реализации которых требуется минимальное количество опытов.
Исследования на основе активных экспериментов проводили в последовательности: - разработка и реализация планов дробного факторного эксперимента; - математическая обработка данных экспериментов и получение математических моделей; - проверка адекватности полученных математических моделей реальным процессам формирования качества отливки; - исследование на основе полученных математических моделей влияния технологических факторов на параметры качества отливки.
Матрица реализованного плана может иметь небольшое отличие по уровню факторов от принятой исходной матрицы. В этом случае обработку данных экспериментов необходимо проводить исходя из реально достигнутых значений факторов.
В уравнениях типа (2.2) значения переменных факторов приводятсяв кодированном виде. Кодирование переменных факторов и интервалы их варьирования рассчитываются: Xt - (ХЄі -XQi) ILXt, (2.4) где Хді - текущее натуральное значение фактора; Х0. - натуральное значение фактора на основном уровне; АХ{ - натуральное значение интервала варьирования фактора. Расчет коэффициентов регрессии для уравнения (2.2) осуществляется по формулам: B. X.-YJ/N; (2.5) і в0=2)г,/лг, (2.6) 1 где В,, В0 - коэффициенты регрессии в уравнении (2.2); Y, - фактические значения свойств и параметров структуры реализованного плана; X, - кодированные значения факторов; N - количество опытов плана.
Расчет адекватности полученной математической модели плана ДФЭ выполнялся путем определения критерия Фишера (Ркритерия) [1,55].
Обработка статистических данных при применении пассивного метода эксперимента производилась на компьютере посредством программных оболочек Microsoft Office Excel 2003, Harvard ChartXL v.2.0, Statistica v.5.0
Завершающим этапом экспериментальных исследований, выполненных пассивными и активными методами, является определение влияния различных факторов технологического процесса на формирование строения и свойств чугунных отливок. Полученные эмпирические математические модели позволяют построить соответствующие графические зависимости и разобрать методы управления качеством литейных заготовок в условиях конкретной технологии в производственных условиях. Пассивные методы эксперимента применяли для нахождения математических зависимостей параметров механических свойств и микроструктуры отливок втулок из специального серого чугуна от его химического состава на основе обработки больших массивов данных заводских испытаний. Активные методы планирования эксперимента применяли для нахождения математических зависимостей величины объемной и рассредоточенной усадки отливок из втулочного чугуна и его жидкотекучести от химического состава.
Исследование зависимости механических свойств чугуна отливок втулок от его химического состава и параметров его структуры с применением корреляционно-регрессионного анализа
Отливки втулок цилиндровых гильз судовых дизелей большой мощности на ЗАО «Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» (ЗАО «УК «БМЗ») изготовляются в соответствии с ТУ и марочником фирмы из специального серого чугуна с прочностью металла ав до 250 МПа. В дальнейшем планируется перейти на изготовление отливок втулок из серого чугуна с прочностью ав 270 МПа. Получение такой прочности серого чугуна в массивных отливках втулок с толщиной стенок до 150 мм и массой до 7 т при регламентируемом ТУ химсоставе по действующей технологии вызывает затруднения. По ТУ механические свойства, химический состав и микроструктура чугуна контролируются в каждой отливке втулки судового дизеля. Для этого в торце тела отливки втулки в ее подприбыльной части предусматривается специальное кольцо высотой 125 мм, которое затем отрезается от отливки и из которого изготовляются стандартные образцы на механические испытания и контроль микроструктуры (рис.3.1). В связи с большой толщиной стенок отливки и разной скоростью кристаллизации металла в используемых формах в наружных и внутренних слоях отливки втулки образуется неравномерная структура чугуна по толщине кольца (рис.3.2), в тоже время образец на механические испытания в своей средней части пересекает среднюю осевую зону кольца (рис. 3.1), где наиболее грубая структура графита (рис.3.2.) и наблюдается усадочная пористость. Все это является одной из причин снижения прочности чугуна в отливках втулок.
Металлическая матрица чугуна среднего слоя Рис.3.2. Микроструктура чугуна «Таркалой С» отливки втулки дизеля ДБ32 с толщиной стенки 151 мм и массой 7500 кг Анализ данных заводских испытаний механических свойств (микроструктура графита показана на нетравленном, а металлической матрице на травленном шлифе) и микроструктуры отливок втулок с различной толщиной стенок за значительный период времени показывает, что пока при их изготовлении по действующему техпроцессу не удалось добиться стабильности получения их в соответствии с требованиями ТУ, что связано с разной скоростью их кристаллизации в разных частей их. Образцы для испытания механический свойств и микроструктуры чугуна отливок втулок вырезаются так, что они пересекают все зоны по толщине стенки отливки втулки (рис.3.1), в которых формируется разная микроструктура чугуна (рис. 3.2).
Для установления влияния скорости кристаллизации на структуру и свойства втулочного чугуна провели 2 серии экспериментальных исследований. В 1-ой серии отливали плиты разной толщины из втулочного чугуна (табл. 1.1) с толщиной стенок от 20 до 200 мм, из которых вырезали образцы для исследования механических свойств и микроструктуры. Для этого снимали кривые охлаждения этих плит (рис.3.3) и исследовали микроструктуру графита в них (рис.3.4). На основе этого исследовали влияние толщины стенки отливки из втулочного чугуна на количество графита (Sr, %) на площади шлифа и длину его включений (Lr, мкм) определяемых по ГОСТ3443-87. Эти данные показывают, что имеется криволинейная зависимость между толщиной стенки отливки из чугуна, характеризующей скорость ее кристаллизации, и микроструктурой графита чугуна (рис. 3.4). Видно так же, что с увеличением толщины стенки отливки свыше 100 мм интенсивность ее влияния на скорость кристаллизации отливки снижается, что обуславливает и меньшее ее влияние при этом на структуру графита в отливке. Поэтому для установления зависимости свойств втулочного чугуна от толщины стенки отливки втулки провели 2-ю серию экспериментов. О 2 4 6 в 10 12 % 16 18 20 22 2h 26 28 г мин
Схема вырезки брусков из слитка размером 150x150x400 мм (рис.2.3) Для отливок втулок по ТУ регламентируется определенный химический состав чугуна (табл. 1.1), с значительным разбросом содержания в нем элементов. Провели исследования по определению оптимального содержания элементов во втулочном чугуне, обеспечивающего заданные ТУ механические свойства и микроструктуру отливок втулок и влияния толщины стенки отливки на них.
Из каждого бруска по его длине изготовляли 2 образца для испытаний на прочность: один из них был изготовлен из верхней части слитка (обозначен В), а второй - из нижней части слитка (обозначен Н). Данные исследований химического состава, микроструктуры и механических свойств чугуна образцов из полученных слитков приведены в табл.3.1 - 3.3 и нарис.3.6. Из данных исследования вытекают следующие выводы:
1) механические свойства чугуна массивных отливок типа слитка с толщиной стенок до 150 мм разные по их сечению: наиболее высокие - в наружных частях отливки, наиболее низкие - в центральных частях отливки, что определяется их микроструктуру (рис.3.6);
2) наиболее высокая прочность Тв чугуна типа втулочного при одном и том же типе формы и одной и,той же толщине отливке типа слитка достигается в наружных поверхностях при содержании 3,0-3,1 % С, 1,25-1,4 % Si, 0,7-0,85 % Мп, 0,25-0,35 % Р, до 0,04 % S, 0,15-0,22 % V, 0,03-0,04 % В, 1,05-1,15%Си (состав №1), а в центральных частях при содержании; 3,1—3j2% G, 0,9-1,15 % Si 0,7-0,8% Мп, 0,25-0 35 % Р, до 0,04 % S, 0,15-0,22 % V, 0,03-0,04 % В, 1,35-1,5% Си (состава №2), в связи с чем эти составы приняли оптимальными: состав №2 - для втулок с толщиной стенок до 150 мм и массой до 7 т, состав №1 - для втулок с толщиной стенок до 100 мм и массой до 3 т;
3) более высокие свойства имел чугун образцов, вырезанных из углов слитков, затем - из боковых граней, наименьшие - из центра слитка, что свиде тельствует о повышенной чувствительности к скорости охлаждения и значи тельной склонности к усадке чугуна составом типа втулочного и является;при чиной образования в осевых частях отливок втулок усадочной пористости; об этом дополнительно свидетельствуют и более высокие свойства образцов, вы резанных из нижней части слитков по сравнению с образцами, вырезанными из верхней части слитков;
4) наиболее высокие свойства чугуна слитков достигались при их изготовлении в формы с повышенной теплопроводностью на хромитовом песке и с применением в форме холодильников, в связи с чем. оптимальным типом формовочной; смеси для форм отливок втулок можно считать ХТС на хромитовом песке, увеличивающем скорость охлаждения отливок, при этом одновременно полезным является и применение холодильников;
5) наличие в структуре отливок из втулочного чугунаповышенного:количества цементита.при близком составе и близких условиях охлаждения отливок приводит к снижению его прочности,, в связи с чем оптимальным можно считать содержание цементита в отливках втулок 5-6%;
6) наиболее высокие прочностные свойства втулочного чугуна достигаются при длине равномерно распределенных включений графита в его структуре (Грі, Гр2) около 180 мкм и количестве феррита менее 3 %, которые можно считать оптимальными;
Исследование структуры и свойств отливок втулок судовых дизелей, изготовленных из втулочного чугуна оптимального химсостава
Известна связь образования усадочных дефектов в сплавах с диаграммами состояния двойных систем, установленная А.А. Бочвором. Так, в чистых металлах и сплавах эвтектического состава формируются концентрированные усадочные раковины, а усадочная пористость в них почти не развивается. В то же время в сплавах, кристаллизующихся в интервале температур, развивается усадочная пористость, объём которой тем больше, чем больше интервал кристаллизации сплава.
Чугун относится к эвтектическим сплавам. Степень эвтектичности чугуна определяется его химическим составом. Так, С, Si, Р повышают степень эвтектичности чугуна, чем повышают его жидкотекучесть и снижают склонность к образованию усадочных дефектов. Разное влияние на эти свойства расплава чугуна оказывают элементы в зависимости от их влияния на графитизацию или отбел чугуна. В графитизированном чугуне графит выделяется при кристаллизации расплава, что сопровождается увеличением его объёма и в значительной мере компенсирует объёмную усадку. Элементы, способствующие графитиза-ции чугуна (С, Si, Р, Ni), способствуют поэтому и уменьшению образования усадочных дефектов в отливках из чугуна. Наоборот, отбеливающие чугуны элементы (Мп, Сг, V, Мо) уменьшают или вообще тормозят выделение графита из расплава чугуна, что влечёт увеличение объёма образования усадочных пустот в отливках. Однако в легированных чугунах могут протекать процессы, которые нарушают эти правила. Так, Р образует фосфидную эвтектику с пониженной температурой кристаллизации, что способствует образованию в кристаллизующихся в последнею очередь локальных объёмах расплава усадочных пор. Другие элементы при кристаллизации расплава чугуна также неравномерно распределяются в жидкой и твёрдой фазах. Так, Сг, V, Мо насыщают фосфидную эвтектику, что увеличивает её объём и тем самым способствует образованию пористости в отливках. В то же время Ni растворяется в кристаллизующемся аустените больше, чем в расплаве, а Си мало растворяется в аустените и поэтому обогащает расплав. Это изменяет физические свойства кристаллизующегося расплава и тем самым влияет на формирование усадочных дефектов в отливках. Поэтому важным для практики производства является установление комплексного влияния элементов на протекание усадочных процессов в отливках, особенно массивных с наличием в них локальных тепловых узлов.
Механические свойства чугунных отливок значительно зависят от количества усадочных дефектов в их структуре, поэтому необходимо знать, каким образом можно устранить или хотя бы уменьшить размеры и количество таких дефектов. Это особенно актуальным является для массивных отливок втулок судовых дизелей большой мощности, имеющих толщины стенок до 150 мм и массу до 7500 кг, брак которых по усадочной рыхлоте достигает до 20%. Эти отливки изготовляются из специального серого чугуна, в котором, кроме С и Si, используются такие легирующие элементы, как Р, Сг, В, V, Мп, Си, Ті.
Анализ данных за несколько лет брака отливок втулок по рыхлоте показал, что наибольшее количество его образуется по причине пониженного содержания С и Si и повышенного содержания Р, Мп. При пониженном содержании С и Si во втулочном чугуне снижается его жидкотекучесть, что затрудняет питание от прибыли локальных тепловых узлов, расположенных по высоте в отливках втулок большой высоты, и приводит к появлению в них рассредоточенной усадки в виде усадочной пористости, приводящей к браку отливок по рыхлоте (отливки не выдерживают гидроиспытания). Повышенное содержание Р приводит к накоплению в тепловых узлах отливки-втулки обогащенной им эвтектики, которая кристаллизуется в последнюю очередь при пониженной температуре и способствует образованию рыхлоты.
Данные исследований отражают качественную картину влияния элементов втулочного чугуна на его усадку, при этом не прослеживается системная зависимость, что затрудняет ее использование на производстве.
Для управления процессом усадки возникла необходимость разработать количественные зависимости влияния химического состава втулочного чугуна на образование усадочных дефектов в отливках втулок. Для исследования влияния химического состава на усадку втулочного чугуна заливали из этого чугуна в сухие формы шары диаметром 100 мм, при этом все технологические факторы, кроме химического состава, фиксировали на постоянном уровне. Исследования влияния химического состава втулочного чугуна на его жидкотекучесть и усадку производили с применением математического метода планирования экспериментов. Параметрами оптимизации являлись: длина залитой технологи 92 ческой пробы спирали на жидкотекучесть (1 мм), значение концентрированной (WK, см ) и рассосредоточенной в виде пористости (Wn, см ) усадки залитых из втулочного чугуна шаров 0 100 мм. Переменными факторами являлись 8 параметров химического состава втулочного чугуна: содержание в нем С, Si, Мп, Сг, V, Си, В, Р. Для уменьшения количества опытов принят план дробного фактор Q_/\ ного эксперимента 2 (табл. 2.1). Уровни факторов и интервалы их варьирования в плане табл. 2.1 выбирали исходя из возможного изменения содержания элементов в промышленном втулочном чугуне. Составленные на основании этого план и матрица планирования экспериментов представлены в табл. 2.1 и 2.2. При составлении и реализации опытов по матрице планирования соблюдали следующие условия: 1) шихта для всех опытов принималась одинаковой; 2) модифицирование не применялось; 3) соблюдали одинаковый для всех опытов следующий режим плавки: после расплавления шихты жидкий металл нагревали до 1450С, после чего в него вводили добавки для достижения заданного состава, затем производили нагрев чугуна до 1480С и после выдержки с целью гомогенизации в течение 15 мин его сливали, при этом температура заливки поддерживалась на уровне 1350С, при которой заливаются отливки втулок. Кроме требующихся по плану ДФЭ 2 16 основных опытов проводили 3 опыта на основном уровне (01, 02, 03) для определения дисперсий эксперимента.
Втулочный чугун для исследования выплавляли в индукционной электропечи с кислой футеровкой. Для получения требуемого состава чугуна применялись следующие ферросплавы: феррохром ФХ650А, ферросилиций ФС75, ферромарганец ФМн70, феррофосфор ФФ16, ферробор ФБО, черновая медь М1-М5. При реализации опытов стремились поддерживать на одном уровне такие факторы, как состав шихты, время плавки, температура заливки, скорость охлаждения металла в форме. С целью исключения систематических ошибок применялась рандомизация опытов. В табл. 3.10 приведены результаты опытов, реализованных в соответствии с разработанным планом и принятыми условиями их проведения.
Шары разрезали по направлению кристаллизации на две половинки. Плоскость разреза половинок шара шлифовали и производили их травление 4-х-процентным раствором азотной кислоты в спирте для выявления зон усадки. Объем концентрированных усадочных раковин (WK) И рассосредоточенных усадочных раковин (пористости) (Wn) чугуна шаров 0 100 мм определяли методом вписанных фигур в выявленные на травленых половинках их поверхности соответствующие области усадки, а также заполнением их жидкостью с последующим сливом в мерный цилиндр. Их фрагменты и изображения для некоторых шаров представлены на рис. 2.1., 2.2.
Промышленные шихтовые материалы имеют разбег содержания элементов, в силу чего невозможно было точно достигнуть уровня их содержания, указанного в матрице планирования (табл. 2.2). Это привело к тому, что матрица реализованного плана имела небольшое отличие по уровню факторов от принятой исходной матрицы в табл. 2.2. Однако это не существенно отразилось на результатах, так как обработка данных экспериментов проводилась исходя из реально достигнутых значений факторов (табл. 3.10). Произвели расчет фактических уровней факторов и интервалов их варьирования исходя из реально достигнутых значений химического состава.
