Автореферат Илюшкина

1
На правах рукописи
ИЛЮШКИН ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЧУГУННЫХ КРУПНОТОННАЖНЫХ ОТЛИВОК ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК
СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Брянск - 2011
2
Работа
выполнена
материаловедение»
образовательного
на
кафедре
Федерального
учреждения
«Литейное
производство
государственного
высшего
и
бюджетного
профессионального
образования
«Брянский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «БГТУ»)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кульбовский И.К.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
президент Российской ассоциации литейщиков
Дибров И.А.,
кандидат технических наук Андреев В.В.
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Брянская государственная
инженерно-технологическая академия»
Защита состоится 22 декабря 2011 г. в 11 часов на заседании
диссертационного совета Д 217.042.01 при Государственном научном центре РФ
Открытом
акционерном
обществе
«Научно-производственное
объединение
«Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения»
(ОАО
НПО
«ЦНИИТМАШ»)
по
адресу:
115088,
г.Москва,
ул.
Шарикоподшипниковская, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке при
ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».
Автореферат разослан 21 ноября 2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 217.042.01,
кандидат технических наук
Е.В.Макарычева
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Особенностью существующего производства чугунных
втулок цилиндров судовых дизелей в условиях ЗАО «Управляющая компания
«Брянский
машиностроительный
завод»
(ЗАО
«УК
«БМЗ»)
является
необходимость строгого соблюдения требований технических условий (ТУ) по
химическому составу, микроструктуре и механическим свойствам материала в
широком диапазоне (80…150 мм) толщин стенок этих изделий. Отливки втулок
изготавливают из низколегированных чугунов с пластинчатым графитом
лицензионного химического состава с перлитной металлической основой и с
временным сопротивлением разрыву при растяжении (в) не менее 245 МПа в
теле отливки.
Анализ данных по отбраковке отливок показывает, что существующая
технология литья не обеспечивает стабильного получения требуемых в ТУ
показателей их качества, что связано в первую очередь с особенностями их
затвердевания в литейной форме. Среди основных видов брака наиболее
значительными являются усадочная пористость, а также несоответствие
микроструктуры и механических свойств чугуна. В связи с этим задача
разработки технологии изготовления этих отливок с заданными характеристиками
остается актуальной.
Между тем требования к механическим свойствам чугуна отливок судовых
дизелей в последние годы растут. Требуется уже не только повышение прочности
чугуна (в более 300 МПа), но и повышение его пластических характеристик.
Таким образом, ставится задача не только снизить брак отливок и обеспечить
стабильное получение структуры и механических свойств чугуна в них, но и
разработать новые технологические решения, обеспечивающие повышение
прочности чугуна до требуемого уровня.
Цель работы. Разработка технологии изготовления крупнотоннажных
втулок цилиндров судовых дизелей с повышенным уровнем прочностных
характеристик.
4
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставились
следующие задачи:
1. Исследование
особенностей
кристаллизации
массивных
отливок
цилиндровых втулок в условиях существующего производства на примере
отливки втулки цилиндра судового дизеля ДБ72 с использованием метода
компьютерного моделирования.
2. Исследование реальных параметров кристаллизации разных типов
отливок
цилиндровых
втулок
судовых
дизелей
в
литейных
формах
существующего производства.
3. Разработка математических моделей влияния химического состава на
усадку втулочного чугуна и выбор рациональных химических составов чугунов
для цилиндровых втулок судовых дизелей.
4. Разработка новой конструкции литейной формы и параметров литья,
обеспечивающих направленное затвердевание отливок и регулируемое их
охлаждение в литейной форме в интервале эвтектоидного превращения.
5. Разработка и освоение технологии получения чугуна с вермикулярным
графитом, обеспечивающего перспективу повышения прочностных свойств
крупнотоннажных втулок судовых дизелей.
Научная новизна
1. С
основании
использованием
результатов
метода
компьютерного
экспериментальных
моделирования
исследований
и
на
установлены
закономерности затвердевания и параметры кристаллизации разных типов
крупнотоннажных
чугунных
отливок
цилиндровых
втулок
в
условиях
действующего производства.
При этом показано, что образование усадочных дефектов в тепловых узлах
отливок обусловлено недостаточной эффективностью работы питающей прибыли
и разной скоростью затвердевания отдельных частей разностенной отливки в
литейной форме.
5
2. На
основании
выявленных
закономерностей
разработана
новая
конструкция литейной формы и параметры литья крупнотоннажных цилиндровых
втулок, обеспечивающие направленное затвердевание и получение качественных
без усадочных дефектов отливок, перлитную структуру и повышенные
прочностные характеристики чугуна в рабочей зоне стенки втулки.
3. Разработаны новая технология получения чугуна с вермикулярной
формой графита и параметры охлаждения отливки в литейной форме в интервале
эвтектоидного
превращения,
обеспечивающие
повышение
прочностных
характеристик
(σв ≥ 300МПа) крупнотоннажных втулок цилиндров судовых
дизелей.
Практическая значимость
1. С привлечением математического метода планирования эксперимента
выбраны
рациональные
химические
составы
втулочных
чугунов,
обеспечивающие в отливках массой от 4,0 до 7,5 тонн с толщиной стенок
соответственно от 100 до 150 мм стабильное получение заданной структуры и
прочностных свойств металла.
2. Разработаны
графические
зависимости
(номограммы)
влияния
химического состава на объемную усадку низколегированных чугунов с
пластинчатым графитом, которые могут быть использованы для оценки
склонности чугуна к образованию усадочных дефектов.
3. Для реализации новой конструкции литейной формы подобраны
составы формовочных смесей для изготовления частей формы, обеспечивающие
по своим теплофизическим свойствам (коэффициенту тепловой аккумуляции
тепла) направленное затвердевание и получение качественных без усадочных
дефектов отливок.
4. Разработан новый способ модифицирования исходного расплава,
обеспечивающий получение чугуна с вермикулярной формой графита и
повышенными
прочностными
характеристиками.
Этот материал обладает
сочетанием высоких прочностных и теплофизических свойств и может быть
6
использован для широкого круга отливок, в том числе для крупнотоннажных
отливок цилиндровых втулок судовых дизелей, с целью повышения механических
характеристик изделий.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается:
- применением комплекса современных методов исследования и анализа
чугунов, в том числе компьютерного моделирования процесса кристаллизации и
электронной микроскопии;
- использованием
аттестованной
измерительной
и
испытательной
аппаратуры;
- обработкой
экспериментальных
данных
с
привлечением
методов
математической статистики;
- согласованностью
результатов
лабораторных
и
промышленных
экспериментов, натурных и эксплуатационных испытаний отливок.
На защиту выносятся:
1. Результаты
теоретических
и
экспериментальных
исследований
закономерностей затвердевания и параметров кристаллизации разных типов
крупнотоннажных
чугунных
отливок
цилиндровых
втулок
в
условиях
действующего производства.
2. Новая
крупнотоннажных
конструкция
литейной
цилиндровых
втулок,
формы
и
параметры
обеспечивающие
литья
направленное
затвердевание и получение качественных без усадочных дефектов отливок,
перлитную структуру и повышенные прочностные характеристики чугуна в
рабочей зоне стенки втулки.
3. Новая технология получения чугуна с вермикулярной формой графита и
параметры охлаждения отливки в литейной форме в интервале эвтектоидного
превращения, обеспечивающие повышение прочностных характеристик (σв ≥ 300
МПа) крупнотоннажных втулок цилиндров судовых дизелей.
7
4. Результаты выбора рациональных химических составов втулочных
чугунов с пластинчатым графитом, обеспечивающих в отливках массой от 4,0 до
7,5 тонн с толщиной стенок соответственно от 100 до 150 мм стабильное
получение заданной структуры и прочностных свойств металла.
5. Графические зависимости (номограммы) влияния химического состава
на объемную усадку низколегированных чугунов с пластинчатым графитом,
которые могут быть использованы для оценки склонности чугуна к образованию
усадочных дефектов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на «IX съезде литейщиков России» (Уфа, 2009 г.), региональных и
международных научно-технических конференциях «Проблемы качества машин и
их конкурентоспособности» (Брянск, 2008 г.), «Наука и производство – 2009»
(Брянск, 2009 г.), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009 г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10
научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных
научно-технических конференций, в том числе 5 в изданиях и журналах,
рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение № 2427660.
Личный вклад автора заключается в постановке и решении задач,
поставленных в данной работе, в разработке методик проведения экспериментов,
в анализе экспериментальных данных, позволивших обосновать основные
положения
научной
непосредственном
новизны
участии
во
и
практической
внедрении
значимости,
полученных
а
также
результатов
в
при
промышленном производстве отливок цилиндровых втулок судовых дизелей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав,
основных
выводов,
списка
использованной
литературы
из
наименований. Она содержит 121 страницу текста, 61 рисунок и 28 таблиц.
118
8
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, изложены цель и
задачи работы, представлена ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе представлен
анализ данных научно-технической и
патентной литературы, касающихся физико-механических и литейных свойств
чугунов с пластинчатым графитом, а также технологий изготовления из них
ответственных отливок для мощных дизельных двигателей.
Рассмотрены конструктивные характеристики, условия эксплуатации,
технология
производства
и
основные
требования,
предъявляемые
к
крупнотоннажным отливкам втулок мощных судовых дизелей. Показано, что
существующие технологии в ряде случаев не обеспечивают стабильного
получения требуемых показателей их качества. Среди основных видов брака этих
отливок наиболее значительными являются усадочная пористость, а также
несоответствие микроструктуры и механических свойств чугуна техническим
требованиям.
Причинами указанных дефектов являются конструктивная особенность
отливок (большая масса и значительная разностенность) и несовершенство
используемой технологии литья, что при строго регламентированном химическом
составе затрудняет получение в отливках заданных высоких механических
свойств.
Задача управления качеством таких отливок сводится к разработке новых
технологических решений, обеспечивающих стабильное получение заданной
микроструктуры, уровня механических свойств и плотности металла. Эта задача
усложняется в связи возрастающими требованиями к уровню прочности чугуна
(в ≥ 300МПа) заданного химического состава.
Крупногабаритные массивные цилиндровые втулки судовых дизелей на
ЗАО «УК «БМЗ» изготавливаются из низколегированных чугунов с пластинчатым
графитом зарубежных марок «Таркаллой C» и «PVA». Такие чугуны в настоящее
9
время уже не могут удовлетворять растущие требования к механическим
свойствам таких отливок. Использование высокопрочного чугуна с шаровидным
графитом (ВЧ) для этих отливок ограничено высокой склонностью этого чугуна к
образованию усадочных дефектов и низкой износостойкостью. Чугун с
вермикулярным
графитом
(ЧВГ)
имеет
благоприятное
сочетание
теплофизических, механических, литейных и эксплуатационных свойств. Так,
например, по прочности ЧВГ
превосходит серый чугун, немного уступая
высокопрочному, а его теплопроводность выше, чем у ВЧ. При этом низкая
склонность к образованию усадочных дефектов и хорошая жидкотекучесть делает
ЧВГ перспективным материалом для изготовления массивных разностенных
отливок. В сочетании с хорошей коррозионностойкостью и герметичностью его
применение весьма эффективно для деталей, работающих под давлением,
каковыми и являются цилиндровые втулки судовых дизелей.
Подробно рассмотрены способы получения ЧВГ. Проведен анализ влияния
химического состава, толщины стенки и массы отливок на структуру и
механические характеристики ЧВГ. Показана перспектива использования этого
чугуна в дизелестроении.
На основании выполненного анализа данных технической и патентной
литературы сформулированы цель и задачи исследований.
Во
второй
главе
представлены
методики
проведения
расчетных,
экспериментальных (лабораторных) и опытно-промышленных исследований,
используемое измерительное оборудование и приборы, материалы, и программы
для компьютерного моделирования затвердевания и охлаждения отливок.
Для решения задачи выбора рациональных химических составов отливок
цилиндровых
втулок
использован
метод
математического
планирования
экспериментов.
Экспериментальные и опытно-промышленные исследования проводились в
литейной лаборатории «Базовой лаборатории новых технологий металлургии»
10
(БЛНТМ) ООО «ПК «Бежицкий сталелитейный завод» (ООО «ПК «БСЗ») и
производственных цехах ЗАО «УК «БМЗ».
В третьей главе представлены результаты исследований особенностей
затвердевания крупнотоннажных отливок цилиндровых втулок судовых дизелей в
условиях существующего производства.
Рисунок 1. Эскиз литейной формы для отливки втулки судового
дизеля ДБ72 в существующем производстве
Параметры кристаллизации в реальных литейных формах существующего
производства
исследовали
для
разных
типов крупнотоннажных
отливок
цилиндровых втулок. На рисунке 1 приведена литейная форма для отливки
втулки дизеля марки ДБ72. Форма состоит из двух половин, получаемых
шаблонной заточкой из песчано-глинистой смеси.
Кривые кристаллизации снимали на двух горизонтах отливки с помощью
термопар, установленных в прибыльной и непосредственно в подприбыльной
11
части, из которой вырезаются образцы для исследования структуры и испытания
механических свойств чугуна.
Результаты исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры затвердевания различных типов
крупнотоннажных отливок
цилиндровых втулок судовых дизелей в реальных формах существующего производства
№ втулки
Температура, °C
В начале кристаллизации
Прибыль Отливка
В конце кристаллизации
Превышение
температуры
прибыли над Прибыль Отливка
температурой
отливки, °C
Масса
Превышение отливки,
температуры
кг
прибыли над
температурой
отливки, °C
Дизель ДБ32, чугун «Таркаллой C», толщина стенки отливки 151 мм, масса 7,1 т
16
1145
1155
-10
1105
1100
+5
7,1
18
1110
1110
0
1075
1065
+10
7,1
125
1110
1095
+15
1090
1070
+20
7,1
19
1055
1050
+5
1060
1045
+15
7,1
17
1110
1115
-5
1105
1085
+20
7,1
Дизель ДБ 37, чугун «PVA», толщина стенки отливки 115 мм, масса 2 т
103
1170
1150
+20
1115
1100
+15
2,0
117
1125
1125
0
1100
1100
0
2,0
Весь процесс затвердевания отливки исследовали с помощью метода
компьютерного моделирования.
Установлено, что большая высота и значительная разностенность отливок
втулок цилиндров, а также разные теплофизические свойства различных частей
литейной формы, обуславливают разную скорость кристаллизации отдельных
частей отливок и соответственно формирование неравномерной микроструктуры
чугуна по сечению стенки и высоте отливок.
Температура жидкого металла в прибыли в период кристаллизации
незначительно превышает температуру металла отливки, что приводит к
неэффективному питанию и образованию усадочной пористости. При этом для
12
всех отливок характерным является большая продолжительность процесса
кристаллизации, составляющая в зависимости от массы и габаритов отливки от 0,5
до 4,3 часов. Такие условия кристаллизации способствуют образованию в
микроструктуре чугуна крупных включений графита длиной 750…1500 мкм, что
в сочетании с усадочной рыхлотой способствует значительному снижению
механические свойства металла в теле отливки.
5
10
20
30
45
90
Время, мин
Рисунок 2. Изменение объема жидкого металла в процессе затвердевания отливки втулки
судового дизеля ДБ72 в литейной форме существующей конструкции
Компьютерное моделирование процесса затвердевания отливки цилиндровой
втулки судового дизеля ДБ72 массой 3,7 тонны с толщиной стенки в
подприбыльной части 131 мм показало, что к моменту окончания затвердевания
отливки выявляются отдельные изолированные оставшиеся объемы жидкого
чугуна (рисунок 2), кристаллизующиеся впоследствии с образованием усадочных
дефектов. Этому дополнительно способствуют применяемые в этих местах
холодильники, интенсивность теплоотвода между которыми неравномерная.
Образование таких дефектных зон связано также с неравномерной плотностью
13
набивки существующих форм и неравной толщиной слоя формовочной смеси
относительно тела отливки.
На основании проведенных исследований особенностей затвердевания
крупнотоннажных отливок цилиндровых втулок судовых дизелей разработаны
рекомендации по совершенствованию существующих технологических процессов
их производства.
В четвертой главе представлены результаты исследований влияния
химического состава на объемную усадку втулочного чугуна.
Для получения математических и графических зависимостей использовали
метод планирования дробного многофакторного эксперимента. В качестве
независимых переменных факторов приняты следующие химические элементы
низколегированного чугуна с пластинчатым графитом: С, Si, P, Cr, В, V, Mn, Cu
(таблица 2). Исследуемыми параметрами являлись значения концентрированной
(WК, см3) и рассосредоточенной в виде пористости (Wп, см3) усадочных раковин,
определяемых на шаровых пробах  100 мм.
Таблица 2. План ДФЭ 28-4 для исследования усадки чугуна с пластинчатым графитом
Факторы плана
Химический состав чугуна, % по массе
C
Si
P
Cr
Основной уровень (xoi)
3,1
1,2
0,3
0,19
Интервал варьирования (Δxi)
0,3
Верхний уровень (+1)
Mn
Cu
0,03 0,18
0,8
0,61
0,5 0,26 0,16
0,03 0,17
0,3
0,6
3,4
1,7 0,56 0,35
0,06 0,35
1,1
1,21
Нижний уровень (-1)
2,8
0,7 0,04 0,03 0,001 0,01
0,5
0,01
Код фактора (xi)
x1
x2
x7
x8
x3
x4
B
x5
V
x6
Исследуемые
параметры
Wк, см3;
Wп, см3
В результате обработки данных были получены следующие математические
зависимости:
Wк = 13,5 - 1,3C - 4,6Si - P + 0,5Cr + 0,3B + 0,6V + 0,4Mn - 2,0Cu, см3
(1)
Wп = 0,705 - 0,667C - 0,35Si + 0,121P - 0,05Cr - 0,151B - 0,039V + 0,53Mn +
+ 0,43Сu, см3
(2)
14
Полученные зависимости (1-2) использовали для построения номограмм и
графиков (рисунок 3-6) для прогнозирования усадочных дефектов в отливках
цилиндровых втулок судовых дизелей.
Рисунок 3. Зависимость объема
концентрированной усадочной раковины
Рисунок 4. Зависимость объема усадочной
(Wк) в отливках из чугуна с пластинчатым
пористости (Wп) в отливках из чугуна с
графитом от содержания C и Si при
пластинчатым графитом от содержания C и
постоянном содержании остальных
Si при постоянном содержании остальных
элементов на нижнем уровне плана
элементов на нижнем уровне плана
Рисунок 5. Влияние содержания P, Mn, Cu,
Рисунок 6. Влияние содержания P, Mn, Cu,
В и V на объем концентрированной
В и V на объем усадочной пористости (Wп) в
усадочной раковины (Wк) в отливках из
отливках из чугуна с пластинчатым
чугуна с пластинчатым графитом
графитом
Поскольку химический состав является важным, но не единственным
фактором, ответственным за структуру и свойства чугуна,
кроме основных
проводили дополнительные опыты, в которых использовались разные шихтовые
материалы, а также модифицирование расплава чугуна и его термовременная
15
обработка. По полученным данным выбраны рациональные химические составы
чугуна для отливок цилиндровых втулок судовых дизелей разных типов с целью
снижения их брака по усадочным дефектам (таблица 3).
Таблица 3. Рациональные химические составы чугуна с пластинчатым графитом для
отливок цилиндровых втулок судовых дизелей
Химический состав чугуна, %
Характеристика отливок
втулок
Отливки с толщиной стенки
до 150 мм и массой до 7,5 т
Отливка с толщиной стенки
до 100 мм и массой до 4,0 т
По ТУ на чугун марки
«Таркаллой C»
С
Mn
Si
3,0-3,1
0,6-0,7
1,1-1,2
3,1-3,2
0,6-0,7
1,3-1,4
до 3,4
0,7-1,0
до 1,4
P
S
B
V
0,20-
до
0,030-
0,15-
0,25
0,04
0,035
0,20
0,20-
до
0,030-
0,25
0,04
0,035
до
до
0,030-
0,03-
0,40
0,04
0,040
0,22
-
Cu
1,2-1,3
1,0-1,1
1,0-1,5
Пятая глава посвящена разработке новой конструкции литейной формы,
параметров литья и охлаждения крупнотоннажных отливок цилиндровых втулок,
обеспечивающих направленное их затвердевание и получение качественных без
усадочных дефектов отливок с высокими прочностными характеристиками
чугуна в рабочей зоне стенки втулки.
Для создания более благоприятных условий направленной кристаллизации
отливок цилиндровых втулок в сравнении с существующим производством
разработали новую конструкцию литейной формы (рисунок 7), представляющую
собой последовательно собранную из отдельных частей форму, в которой каждая
из составляющих изготавливается в круглых опоках с равной толщиной слоя
формовочной
смеси
относительно
тела
отливки
из
смесей
с
разной
теплоаккумулирующей способностью (таблица 4). Центральный полый стержень
втулки также изготавливается из смесей с разной теплоаккумулирующей
способностью.
16
Рисунок 7. Новая конструкция литейной формы для отливки втулки
цилиндра судового дизеля ДБ72
Результаты компьютерного моделирования процесса затвердевания отливки
втулки цилиндра судового дизеля ДБ72 (рисунок 8) показали, что технология их
изготовления в литейных формах, состоящих из 6-ти частей по высоте отливки, с
заранее определенными и контролируемыми теплофизическими свойствами
показывает лучшие результаты и обеспечивает получение отливок без усадочных
дефектов. Отливка последовательно затвердевает в направлении снизу вверх к
прибыли, которая обеспечивает эффективное питание отливки.
17
Таблица 4. Составы смесей опок литейной формы новой конструкции
№
смеси
Коэффициент тепловой аккумуляции
тепла формой (bф), Вт∙с1/2/м2К
Тип смеси
1
Сухая песчано-глинистая
870
2
Сухая хромомагнезитовая
2090
3
Сухая на хромитовом песке
1095
4
Сухая песчано-глинистая с шамотом
750
5
Холоднотвердеющая на хромитовом песке
1090
6
Холоднотвердеющая на кварцевом песке
910
7
Жидкостекольная холоднотвердеющая
890
5
10
20
30
45
90
Время, мин
Рисунок 8. Области жидкого металла при затвердевании отливки втулки судового дизеля
ДБ72 в форме, состоящей из 6-ти частей по высоте отливки
Для исследования микроструктуры и механических свойств отливок втулок
цилиндров, получаемых по разработанной технологии, изготовили несколько
отливок втулок судового дизеля ДБ62 толщиной стенки в подприбыльной части
18
131 мм и массой 3,7 тонны. Чугун в отливке имел более высокие механические
свойства, чем требуется по техническим условиям (таблица 5).
Таблица 5. Химический состав и максимально достигнутые механические свойства
втулочного чугуна в опытных заготовках втулок ДБ62 в форме, состоящей из 6-ти частей
по высоте отливки, из чугуна марки «Таркаллой C»
Максимально
достигнутые
свойства
Химический состав, %
№ отл.
С
Mn
Si
P
S
V
B
Cu
1
3,2
0,68
1,2
0,296
0,025
0,040
0,08
1,16
311
229
2
3,3
0,76
1,36
0,176
0,038
0,030
0,03
1,50
295
217
3
3,1
0,85
1,12
0,276
0,040
0,029
0,15
1,0
297
217
245
180-230
По ТУ 3,1- 3,4 0,5-0,9
1,0- 1,4 0,20-0,40 до 0,1
Разработанная
технология
до 0,22 0,02-0,04 1,0-1,5
получения
σв, МПа НВ, кг/мм2
крупнотоннажных
отливок
цилиндровых втулок находится на стадии внедрения на ЗАО «УК «БМЗ».
В условиях растущих требований к прочностным и пластическим
характеристикам
цилиндровых
втулок
судовых
дизелей
перспективным
материалом для этих отливок становится чугун с вермикулярным графитом. В
связи с этим в условиях существующего производства разработали новый способ
модифицирования, обеспечивающий его получение.
Для
получения
исходного
расплава
использовали
высокочастотные
индукционные печи с кислой футеровкой с емкостью тигля 40 кг в лабораторных
условиях и индукционных электропечах ИЧТ-6 и ИЧТ-1 в промышленных
условиях. Чугун плавили с использованием в шихте не менее 50 % стального лома
и карбюризатора. Модифицирование проводили в ковшах емкостью от 15 кг в
условиях литейной лаборатории и до 1000 кг в производственных условиях.
Данные о модифицировании, химическом составе, микроструктуре и
механических свойствах опытных чугунов представлены в таблице 6.
19
20
Способ
получения
чугуна
с
вермикулярным
графитом
включает
расплавление шихты в электропечи, нагрев исходного расплава до температур
1490-1510°C и модифицирование полученного расплава помещенными на дне
ковша добавками, содержащими комплексную Fe-Si-Mg лигатуру типа ФСМг7 в
количестве 0,3-0,5% и 22%-ный силикобарий SIBAR22 в количестве 1,5-2,0% от
массы обрабатываемого расплава чугуна.
На новую технологию получен патент на изобретение № 2427660.
Для
требуемого
уровня
износостойкости
с
получением
перлитной
металлической основы ЧВГ, разработали параметры технологии принудительного
охлаждения
внутренней
поверхности
отливки
в
период
эвтектоидного
превращения чугуна. Параметры структуры чугуна в рабочей зоне стенки втулки
при ее охлаждении в форме с дополнительной продувкой центрального стержня
сжатым
воздухом
определяли
с
учетом
полученных
компьютерным
моделированием кривых охлаждения отливки втулки цилиндра судового дизеля
ДБ72 (рисунок 9) и структурных диаграмм (рисунок 10, 11).
Использование структурных диаграмм серого чугуна для количественной
оценки влияния скорости охлаждения на структуру металлической основы
отливки обусловлено отсутствием справочных данных для ЧВГ, как относительно
нового и перспективного материала. Это допущение основывается на том, что
теплопроводность ЧВГ (0,5∙102 Вт/м∙К) близка к этой характеристике СЧ (0,59∙102
Вт/м∙К), в связи с чем предположили, что разница в интенсивности теплоотвода
от отливки в литейной форме втулок из ЧВГ и СЧ при прочих равных условиях
(химический состав чугуна, габариты отливки, тип формы, температура заливки и
т.д.) должны быть мала.
Проведенные исследования показали, что продувка центрального стержня
отливки втулки ДБ72 сжатым воздухом с удельным расходом 1,0, 2,5 и 5,0 л/с при
давлении 1 атм. сокращает время ее охлаждения до температур эвтектоидного
превращения в 1,6, 1,7 и 1,8 раза соответственно (рисунок 9).
21
а)
Рисунок 9. Изменение
температуры отливки втулки
судового дизеля ДБ72 при
охлаждении в форме без
принудительного охлаждения (а)
и с продувкой стержня сжатым
воздухом с удельным расходом
2,5 л/с при давлении 1 атм (б) по
данным компьютерного
моделирования в стенке
толщиной: 1 - 220 мм (прибыль),
2 – 131 мм (подприбыльная
б)
часть), 3 – 116 мм, 4 – 76 мм
22
Рисунок 10. Зависимость количества перлита П (%) в структуре отливок из
низколегированного чугуна с пластинчатым графитом от содержания C и Si (Mn=0,7%;
S=0,04%; P=0,05%; d=30мм; tз=1350oC)
Рисунок 11. Влияние толщины стенки отливки d (мм) от содержания Mn, S, P и t з на
количество перлита П (%) в структуре отливок из низколегированного чугуна с
пластинчатым графитом
23
При этом увеличение интенсивности теплоотвода на каждые 14oC/час
повышает количество перлита металлической основы чугуна на 10% (таблица 7),
что позволит получить перлитную структуру рабочей зоны стенки втулки из
чугуна с вермикулярным графитом. Эта технология является перспективой для
повышения прочностных свойств крупнотоннажных цилиндровых
втулок
судовых дизелей.
Таблица 7. Интенсивность теплоотвода и ожидаемая структура чугуна в отливке втулки
судового дизеля ДБ72 по данным компьютерного моделирования и структурным
диаграммам
Условия теплоотвода
Средняя скорость
охлаждения, OC/час
Перлит, %
16,2
28,8
48,6
84-96
93-100
100
1. Без дополнительного охлаждения
Толщина стенки отливки, мм
131
116
76
2. С продувкой стержня сжатым воздухом в стенке отливки толщиной 131 мм
(подприбыльная часть)
Расход сжатого воздуха, л/с
1,0
2,5
5,0
37,4
45,7
48,6
99-100
100
100
Таким образом, разработанная конструкция литейной формы и параметры
литья крупнотоннажных отливок цилиндровых втулок обеспечивают стабильное
их получение без усадочных дефектов с требуемым в технических условиях
уровнем прочностных свойств, а технология получения ЧВГ и параметры
охлаждения отливок втулок в новых формах, обеспечивают перспективу
повышенных прочностных характеристик этих изделий.
24
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Определены
параметры
кристаллизации
крупнотоннажных
отливок
цилиндровых втулок судовых дизелей в литейных формах существующего
производства и показано, что из-за большой продолжительности процесса
затвердевания (2…4 часа) формируется неравномерная структура чугуна по
сечению стенки отливки.
2. Установлены закономерности затвердевания отливок цилиндровых втулок в
условиях существующего производства и показано, что образование усадочных
дефектов в тепловых узлах этих отливок обусловлено не только малой
эффективностью
работы
питающей
прибыли,
но
и
неравномерным
и
непоследовательным характером затвердевания их разностенных частей.
3. Разработаны графические зависимости (номограммы) влияния химического
состава на объемную усадку низколегированных чугунов с пластинчатым
графитом, на основании которых выбраны рациональные химические составы
втулочных чугунов для отливок массой от 4,0 до 7,5 тонн с толщиной стенок
соответственно от 100 до 150 мм.
4. На основе выявленных закономерностей затвердевания отливок разработана
новая конструкция литейной формы для производства крупнотоннажных отливок
цилиндровых втулок. Выбраны составы смесей для изготовления частей формы и
стержня, обеспечивающие по своим теплофизическим свойствам направленное
затвердевание и стабильное получение качественных без усадочных дефектов
отливок втулок с заданным уровнем прочностных свойств.
5. Разработан новый способ модифицирования, обеспечивающий получение
чугуна с вермикулярным графитом, включающий обработку исходного расплава
присадками, содержащими комплексную Fe-Si-Mg лигатуру типа ФСМг7 в
количестве 0,3-0,5% и 22%-ный силикобарий SIBAR22 в количестве 1,5-2,0% от
массы обрабатываемого расплава чугуна.
На новый способ получен патент на изобретение № 2427660.
25
6. Определены параметры охлаждения отливки втулки цилиндра судового
дизеля ДБ72 в литейной форме, состоящей из 6-ти частей по высоте отливки, в
сочетании с принудительным охлаждением ее внутренней поверхности в
интервале температур эвтектоидного превращения, обеспечивающие перлитную
структуру рабочей зоны стенки втулки и ее повышенные прочностные
характеристики (σв ≥ 300МПа).
Основные результаты работы представлены в публикациях:
1. Кульбовский И.К., Карелин С.В., Илюшкин Д.А. Об изготовлении
массивных отливок гильз судовых дизелей. // Литейное производство. – 2008. - №
2. – С. 8-11.
2. Кульбовский И.К., Карелин С.В., Попов Е.В., Илюшкин Д.А., Туркин Д.А.
Исследование влияния химического состава на усадку и жидкотекучесть чугуна,
применяемого для изготовления массивных отливок втулок судовых дизелей
большой мощности. // Литейщик России. – 2008. – № 3. – С. 19-23.
3. Кульбовский
И.К.,
Карелин
С.В.,
Илюшкин
Д.А.
Компьютерное
моделирование процесса кристаллизации массивных отливок втулок цилиндров
судовых
дизелей.
//
Вестник
Брянского
государственного
технического
университета. 2008. – № 2(18). – С. 16-19.
4. Кульбовский И.К., Карелин С.В., Илюшкин Д.А., Туркин Д.А. Влияние
условий кристаллизации отливок гильз цилиндров судовых дизелей большой
мощности на их структуру и свойства. // Заготовительные производства в
машиностроении. – 2008. – № 6. – С. 3-9.
5. Кульбовский И.К., Илюшкин Д.А., Карелин С.В. Исследование условий
кристаллизации массивных отливок втулок судовых дизелей с помощью
компьютерного
моделирования.
//
Проблемы
качества
машин
и
их
конкурентоспособности: материалы 6-й Международной научно-технической
конференции, г. Брянск, 22-23 мая 2008 г. / под общ. ред. А.Г. Суслова. – Брянск:
БГТУ, 2008. – 580 с. – С. 17-19.
26
6. Кульбовский И.К., Петраков О.В., Илюшкин Д.А. Технологическая
оптимизация процесса получения массивных отливок втулок из чугуна для
цилиндров судовых дизелей большой мощности. // Труды 9-го съезда литейщиков
России. – Уфа 20-24 апреля 2009 г. – С. 43-46.
7. Илюшкин
Д.А.,
Петраков
О.В.
Способы
получения
чугуна
с
вермикулярным и шаровидным графитом. // Наука и производство – 2009:
материалы Междунар. науч.-практ. конф. (19-20 марта 2009 г., г. Брянск): в 2 ч. /
под ред. С.П. Сазонова, П.В. Новикова. – Брянск: БГТУ, 2009. – Ч.1. – 392 с. – С.
50-52.
8.
Кульбовский И.К., Петраков О.В., Илюшкин Д.А. Получение чугуна с
вермикулярным графитом модифицированием ферросиликобарием с малыми
добавками комплексных кремний-магниевых лигатур. // Современные технологии
в машиностроении: сборник статей XIII Международной научно-практической
конференции. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. – 260 с. – С. 3-5.
9. Кульбовский
И.К.,
Илюшкин
Д.А.,
Петраков
О.В.
Повышение
прочностных свойств чугуна для дизельных отливок. // Литейное производство. –
2010. – № 4. – С. 2-5.
10. Способ получения чугуна с вермикулярным графитом, патент
№ 2427660, пр. 21.12.2009. // Кульбовский И.К., Петраков О.В., Илюшкин Д.А.
27
Подписано в печать 10.11.2011 г. Формат 6034 1/16.
Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. изд. л. 1,6
Тираж 100 экз. Заказ 267. Бесплатно.
Издательство Брянского государственного технического университета
241035, г. Брянск, БГТУ, бульвар им. 50-летия Октября, 7. Телефон 58-82-49.
Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.