Введение к работе
Актуальность проблемы. Многие современные двигатели внутреннего сгорания подвергаются большим динамическим нагрузкам, поэтому детали цилиндро-поршневой группы (поршневые кольца) ДВС работают в очень тяжелых условиях при неблагоприятном температурном режиме, высоких скоростях скольжения и высоком давлении на стенку цилиндра, а так же при недостаточной смазке или ее полном отсутствии. Актуальной задачей является увеличение срока службы цилиндро-поршневой группы за счет обеспечения более высоких механических, триботехнических и тепловых свойств материала поршневых колец. Поршневые кольца трубчатых дизель-молотов функционально идентичны поршневым кольца двигателей внутреннего сгорания. Применяемые в настоящее время материалы для изготовления поршневых колец (серый специальный и комплексно-легированный чугуны), не отвечают в полной мере жестким условиям, в которых им приходится работать. Наиболее близкий комплекс механических и триботехнических свойств, необходимых для материала поршневых колец, наблюдается у новых антифрикционных высокопрочных чугунов, разработанных в настоящее время и отличающихся от стандартных. Представляется целесообразным произвести оптимизацию их химического, фазового состава и структуры применительно к поршневым кольцам дизель-молотов, а так же разработать рациональные технологические процессы получения чугунов и изготовления из них поршневых колец
Цель работы. Разработка антифрикционных чугунов, отличающихся высокими механическими и триботехническими свойствами, предназначаемых для изготовления литых деталей цилиндро-поршневой группы (поршневых колец) дизель-молотов и технологических процессов их изготовления.
Автор защищает:
результаты термодинамического анализа и теоретической оценки рациональных химического и фазового составов чугунов;
рассчитанные и построенные фрагменты диаграммы состояния сплавов Fe-C-Cu;
результаты исследования структуры, механических и триботехнических свойств антифрикционных чугунов;
разработанные составы антифрикционных чугунов и технологические процессы их выплавки и получения из них поршневых колец для дизель-молотов;
- результаты испытаний колец и использования новых чугунов и техно
логических процессов в производстве.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА |
CTltTtpftypr <
Общая методика исследований. Методика проведения работы базируется на сочетании теоретических и экспериментальных методов исследований. Предварительные результаты получены на основе термодинамических расчетов и анализа построенных разрезов диаграммы Fe-C-Cu. Эти данные использованы при планировании экспериментальных исследований, проводимых с целью проверки результатов теоретического анализа определения , особенностей структуры и свойств чугунов и окончательной корректировки их химического состава.
Выплавку чугуна проводили в дуговой электропечи ДСП-1,5 с кислой футеровкой в условиях литейного цеха Центрального завода железнодорожной техники (г. Брянск) и в индукционной тигельной печи ИСТ-0.06 с основной футеровкой в лаборатории кафедры ТКМ и РМ в БГИТА. Шихта составлялась из литейного чугуна, отходов углеродистой стали, чугунного возврата, ферросилиция, отходов электролитической меди. Модифицирование и легирование чугуна в заводских условиях проводили в коническом разливочном ковше емкостью 1,5 тонны модифицирующей смесью компонентов, содержащей лигатуру ЖКМК-М, силикобарий, олово, отходы меди, плавиковый шпат. Температура модифицируемого металла составляла 1420-1450еС. Температуру жидкого металла контролировали с помощью портативного прибора с вольфрам-рениевым термоэлектрическим преобразователем. В сырых песчано-глинистых формах отливали стандартные клиновидные пробы и маслоты для поршневых колец. Из клиновидных проб вырезали образцы для испытаний на растяжение, твердость, ударный изгиб. Образцы на износ изготавливались как из литых проб, так и из маслот.
Основным методом проведения химического анализа был фотоколориметрический. Упругость поршневых колец определяли на установке МИП-10-1. Испытания образцов на ударный изгиб проводили на маятниковом копре ИО 5003-0,3.
Общую микроструктуру чугунов исследовали с помощью оптических микроскопов МИМ-8М и «Неофот-2» при увеличении от 100 до 300 раз, структуру металлической матрицы определяли при увеличении 500 раз. Механические испытания проводили на стандартных разрывных и ударных образцах с целью определения предела прочности и предела текучести при растяжении и ударной вязкости.
Триботехнические испытания проводили на модернизированной машине трения МИ-1М и установке СМЦ-2 с парой трения диск-колодка (сталь 45 с твердостью HRC45, антифрикционные сплавы, включая чугун АЧВ-М). В процессе испытаний определяли величину износа и значения коэффициентов трения в различных условиях.
В работе были использованы стандартные методики определения основных характеристики поршневых колец: коробления торцевых поверхностей колец, контакта кольца с кольцевым калибром, упругих свойств кольца, предела прочности кольца при изгибе, а также твердости кольца. Для определения теплостойкости материала поршневые кольца на специальной оправке помещались в термическую электропечь ЛН-32 и выдерживались там при темпера-
туре 250" С в течении 5 часов. Затем проверяли упругость колец на установке МИП-10-1 с помощью гибкой ленты.
В основу методики испытания поршневых колец дизель-молотов на износостойкость была положена оценка изменения геометрических параметров поршневых колец в ходе их эксплуатации на дизель-молотах за определенный срок, позволяющий полученные результаты сопоставить с известными данными по износу поршневых колец из серого специального чугуна.
В работе проводилась статистическая обработка экспериментальных данных с определением характера зависимостей и оценкой корреляционного соотношения R2.
Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических, экспериментальных и практических результатов в области создания и использования сплавов с заранее заданными свойствами:
установлено образование в медистых чугунах особой структуры с трехфазными эвтектоидными смесями и избыточной медистой фазой, эта структура обладает высокой кинетической устойчивостью и обеспечивает высокие механические и триботехнические свойства чугуна;
- установлено влияние комплексного легирования и модифицирования на
структуру и свойства антифрикциокных чугунов;
разработан состав новых антифрикционных чугунов, защищенный патентом на изобретение;
разработан способ модифицирующей обработки чугуна, обеспечивающий эффекты сфероидизации графита, наиболее полной графитизации чугуна и перлитизации его структуры; способ защищен патентом на изобретение;
- выявлено наличие корреляционных связей между свойствами чугунов и
условиями их эксплуатации; установлены предельные условия работы чугунов
в узлах трения.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- разработаны конкретные составы чугунов, предназначаемых для
изготовления поршневых колец дизель-молотов;
разработаны упрощенные и более экономичные режимы термической обработки колец;
применительно к новым сплавам откорректированы технологические процессы механической обработки колец, обеспечивающие высокое качество поверхности;
новые чугуны и технологические процессы внедрены в производство на Центральном заводе железнодорожной техники (г.Брянск);
экономический эффект от использования поршневых колец из нового антифрикционного высокопрочного чугуна взамен серого специального только по одному типоразмеру колец составил 462500 рублей в год.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» (Брянск, 1999,2000,2001,2002), на международной научно-технической конференции «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века» (Брянск, 2000), 4-ой международной научно-технической конференции «Качество машин» (Брянск, 2001).
Публикации, По теме диссертации опубликованы 10 работ и получены 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 111 наименований и приложения; она содержит 142 страницы текста, 35 рисунков и 16 таблиц.
