Диференціація властивостей частин виливка модифікуванням чавуну в ливарній формі - Автореферат

Більшість існуючих технологічних варіантів виробництва двошарових чавунних виливків базуються на виплавлянні різнорідних сплавів в окремих плавильних агрегатах з наступним їх заливанням в певній послідовності в ливарні форми. Ідея запропонованого в дисертаційній роботі нового методу диференціації властивостей окремих частин виливка полягає в розділенні вихідного сірого або білого чавуну під час заливання ливарної форми на два потоки, один з яких прямує безпосередньо в її порожнину, а інший - спочатку піддається графітизувальному, сфероїдизувальному або карбідостабілізувальному модифікуванню в реакційній камері ливникової системи, а потім прямує в іншу частину порожнини форми. Інформаційна новизна методу диференціації властивостей частин виливка модифікуванням чавуну в ливарній формі та відсутність відповідних досліджень дає підставу вважати тему дисертаційної роботи, у якій розглянуті питання щодо встановлення особливостей і закономірностей такого технологічного процесу виробництва двошарових чавунних виливків, актуальною як з наукової, так і з практичної точок зору. Змоделювати перспективні конструктивно-технологічні варіанти виробництва двошарових та двобічних виливків диференційованим (роздільним за функціональним призначенням) модифікуванням чавуну в ливарній формі. Мета і поставлені в роботі задачі обумовили проведення комплексних теоретичних і експериментальних досліджень з використанням фізичного моделювання процесу взаємодії твердої і рідкої фази в реакційній камері ливникової системи ливарної форми, математичного компютерного моделювання гідродинамічних і масообмінних процесів, що відбуваються під час виготовлення двобічних і двошарових виливків, з використанням пакету LVMFLOW, а також серії лабораторних плавок з математичним плануванням та обробленням результатів експерименту з переважно стандартизованими методами оцінки хімічного складу, мікроструктури і механічних властивостей металу.Показано, що спосіб модифікування чавуну безпосередньо в реакційній камері ливарної форми має комплекс переваг у порівнянні з ковшовими методами модифікування. Визначені основні фактори, які лімітують процес розчинення модифікатора в реакційній камері ливникової системи під час заливання ливарної форми чавуном. Результати внутрішньоформового карбідостабілізувального модифікування чавуну механічною сумішшю феромарганцю з різною концентрацією порошкового магнію не відрізняються стабільністю, а процес заливання форм - безпечністю. Низька здатність нікелю до утворення оксидних плівок на поверхні частинок, відносно невисока температура плавлення (1140°С) і барботація потоку чавуну в реакційній камері парами магнію, сприяють процесу розчинення цього сплаву в потоці рідкого металу. У 32-мм перерізах поряд з карбідами заліза кристалізується кулястий графіт, що знижує твердість чавуну до 340...360НВ, а у масивних 64-мм перерізах проби чавун з кулястим графітом взагалі кристалізується за стабільною системою без вибілення.Зносостійкість литих деталей машин і механізмів забезпечує вибілений чавун з твердими карбідами заліза в мікроструктурі, а підвищену пластичність та ударну вязкість - високоміцний феритний чавун з кулястим графітом. Спосіб полягає в розділенні вихідного білого або сірого чавуну на два потоки, один з яких спрямовується безпосередньо у форму, а інший - спочатку піддається графітизувальному, сфероїдизувальному або карбідостабілізувальному модифікуванню в реакційній камері ливникової системи, а потім спрямовується в іншу частину форми. Оптимальні результати внутрішньоформового графітизувального модифікування чавуну масою 10 кг, схильного до кристалізації з вибіленням, досягаються при використанні знепиленого феросиліцію ФС75 з розміром зерен 7,5±2,5 мм. Карбідостабілізувальне модифікування сірого чавуну в одній боковині ливарної форми сплавом НМГ15 і сфероїдизувальне модифікування сплавом ФСМГ7 в іншій боковині призводить до диференціації структури і двократної різниці твердості білого і високоміцного чавунів лише в двобічній плиті з перерізом стінки 10 мм. Після сфероїдизувального модифікування частини потоку білого чавуну сплавом ФСМГ7 між боковинами двобічної плити з вихідного білого і модифікованого високоміцного чавунів досягається різниця у твердості у 140…170НВ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

виливок чавун ливарний двошаровий

1. Сучасна техніка потребує значної кількості деталей, які повинні мати тверду зносостійку робочу поверхню або робочий елемент і пластичну ударостійку матричну підкладку або серцевину. Зносостійкість литих деталей машин і механізмів забезпечує вибілений чавун з твердими карбідами заліза в мікроструктурі, а підвищену пластичність та ударну вязкість - високоміцний феритний чавун з кулястим графітом.

2. Більшість відомих технологічних процесів виробництва двошарових виливків базується на виплавлянні різнорідних чавунів в окремих плавильних печах з наступним їх послідовним заливанням у загальну ливарну форму або виливницю відцентрового лиття.

У роботі досліджені особливості нового способу диференціації мікроструктури і властивостей сплаву в окремих частинах виливка з чавуну, виплавленого в одній печі. Спосіб полягає в розділенні вихідного білого або сірого чавуну на два потоки, один з яких спрямовується безпосередньо у форму, а інший - спочатку піддається графітизувальному, сфероїдизувальному або карбідостабілізувальному модифікуванню в реакційній камері ливникової системи, а потім спрямовується в іншу частину форми. Можливе також модифікування обох потоків вихідного чавуну в двох реакційних камерах різними за функціональним призначенням модифікаторами.

3. Оптимальні результати внутрішньоформового графітизувального модифікування чавуну масою 10 кг, схильного до кристалізації з вибіленням, досягаються при використанні знепиленого феросиліцію ФС75 з розміром зерен 7,5±2,5 мм. Як заряд реакційної камери, який стабілізує карбіди заліза в структурі чавуну, схильного до кристалізації з графітизацією, рекомендовано нікель-магнієвий модифікатор НМГ15 з розміром зерен до 10 мм, включаючи і пилоподібну фракцію. Для сфероїдизувального модифікування чавуну в ливарній формі доцільно застосовувати знепилений сплав ФСМГ7 з розміром зерен 5,0±2,5 мм.

4. Карбідостабілізувальне модифікування сірого чавуну в одній боковині ливарної форми сплавом НМГ15 і сфероїдизувальне модифікування сплавом ФСМГ7 в іншій боковині призводить до диференціації структури і двократної різниці твердості білого і високоміцного чавунів лише в двобічній плиті з перерізом стінки 10 мм. За такими самими умовами в обох боковинах плити з перерізом стінки 25 мм кристалізується високоміцний чавун без вибілення однакової твердості 190…210НВ.

5. Після сфероїдизувального модифікування частини потоку білого чавуну сплавом ФСМГ7 між боковинами двобічної плити з вихідного білого і модифікованого високоміцного чавунів досягається різниця у твердості у 140…170НВ. Однак у перехідній зоні термічного вузла виливка формується зона половинчастого чавуну. Зменшення площі контакту різнорідних чавунів знижує відносну площу перехідної зони. Графітизувальне модифікування частини потоку феросиліцієм ФС75 призводить до кристалізації двобічного виливка з сірого та білого чавунів з вузькою перехідною зоною половинчастого чавуну.

6. У результаті карбідостабілізувального модифікування сірого чавуну нижньої за розташуванням у формі частини виливка, паузи тривалістю 60…90 с для утворення на поверхні залитого метала твердої фази і доливання форми крізь другу ливникову систему без реакційної камери кристалізується двошаровий виливок висотою 50 мм з сірого чавуну з вибіленим нижнім шаром. Двократне модифікування вихідного сірого чавуну спочатку карбідостабілізувальним, а після паузи - сфероїдизувальним модифікаторами призводить до кристалізації в верхній частині порожнини форми перлітного високоміцного чавуну з кулястим графітом, а в нижній - вибіленого чавуну. За обома конструктивно-технологічними варіантами твердість зносостійкого шару складає 370…390, а матричної підкладки - 180…230НВ.

7. Диференціацією структури і властивостей білого чавуну сфероїдизувальним модифікуванням його частини досягається різниця твердості протилежних поверхонь двошарової плити 140…150НВ, яка може бути підвищена до 170…180НВ низькотемпературним феритизувальним відпалом. За аналогічним конструктивно-технологічним варіантом з графітизувальним модифікуванням кристалізуються двошарові виливки з білого і сірого чавунів з різницею твердості 200…220НВ.

8. Новий спосіб потребує індивідуальної оптимізації технологічних параметрів заливання форм і внутрішньоформового модифікування чавуну для кожного типорозміру виливків. Порушення відпрацьованих режимів може викликати появу оксидних плівок, усадкових і газових раковин, шлакових і піщаних включень в перехідній зоні між шарами виливка з білого та високоміцного або сірого чавунів.

9. Розроблений технологічний процес виробництва двошарових чавунних виливків витримав успішні промислові випробування на підприємствах. Планова собівартість виробництва двошарових чавунних виливків у 1,45…1,6 рази нижча, ніж монолітних виливків, виготовлених із сталі 110Г13Л.

1. Косячков В. А., Фесенка М. А., Денисенко Д. В. Перспективы производства биметаллических отливок модифицированием чугуна в литейной форме // Процессы литья.- 2004. - №4. - С. 80-84.

2. Фесенко М. А. Оптимизация состава присадки для графитизирующего модифицирования чугуна в литейной форме // Литейное производство. - 2005. - №10. - С. 13-15.

3. Косячков В. А., Фесенко М. А., Денисенко Д. В. Оптимизация присадок для дифференцированного графитизирующего, карбидостабилизирующего и сфероидизирующего модифицирования чугуна в литейной форме // Процессы литья. - 2005. - №4. - С. 34-40.

4. Модифицирование чугуна в литейной форме сфероидизирующими присадками / А. П. Макаревич, М. А. Фесенко, А. Н. Фесенко, В. А. Косячков // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - 2005. - №2. - С. 101-106.

5. Косячков В. А., Фесенко М. А., Чайковский А. А. Дифференциация структуры и свойств сечения стенки отливки модифицированием чугуна в литейной форме // Процессы литья. - 2006. - №1. - С. 85-90.

6. Чернега Д. Ф., Косячков В. А., Фесенко М. А. Нові технологічні варіанти сфероїдизуючого модифікування чавуну в ливарній формі // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета и Северо-Восточного научного центра Транспортной академии Украины: Сборник научных трудов.- Харьков, 2006. - Выпуск 33. - С. 9-11.

7. Косячков В. А., Фесенко М. А. Интенсификация растворения мелкодисперсной присадки при модифицировании чугуна в литейной форме // Восточноевропейский журнал передовых технологий. - 2006. - 5 /1 (23). - С. 41-45.

8. Косячков В. А., Фесенко М. А. Взаимодействие белого и магниевого чугуна, модифицированного в литейной форме // Процессы литья. - 2006. - №4. - С. 40-47.

9. Патент України №6778. МПК. 7С21С1/00. Спосіб модифікування чавуну у реакційній камері ливарної форми / В. О. Косячков, О. П. Макаревич, М. А. Фесенко - Заявл. 19.11.2004; Опубл. 16.05.05; Бюл. № 5.

10. Патент України №09104. МПК. В22D27/00 Спосіб обробки чавуну в ливарній формі / А. М. Фесенко, М. А. Фесенко - Заявл. 26.09.2005; Опубл. 17.04.06; Бюл. № 5.

11. Патент України № 09284. МПК. В22D27/00. Спосіб обробки рідкого металу в ливарній формі / А. М. Фесенко, М. А. Фесенко - Заявл.03.10.2005; Опубл. 17.04.06; Бюл. № 5.

12. Макаревич А. П., Фесенко М. А., Фесенко А. Н. Технология получения отливок повышенного качества для тяжелого машиностроения // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: Матеріали II міжнародної науково-технічної конференції 1-3 червня 2004 р. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 92.

13. Косячков В. А., Фесенко М. А., Фесенко А. Н. Оптимизация гранулометрического состава модификатора при внутриформенном модифицировании чугуна // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: Матеріали третьої міжнародної науково- технічної конференції 31 травня - 3 червня. 2005 р. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - С. 59.

14. Сфероидизирующее модифицирование чугуна в литейной форме / А. П. Макаревич, М. А. Фесенко, В. А. Косячков, А. Н. Фесенко // Материалы Международной специализированной конференции-выставки „Литье. Металлообработка 2005”. 16-18 марта 2005 г. -Запорожье, 2005. - С. 40-51.

15. Косячков В. А., Фесенко М. А., Денисенко Д. В. Оптимизация заряда реакционной камеры при модифицировании чугуна в литейной форме // Экономический путь к высококачественному литью: Тез. докл. Международного научно-технического конгресса. - Киев, 2005. - С. 89-91.

16. Косячков В. А., Фесенко М. А. Дифференциация свойств локальных частей отливок модифицированием чугуна в литейной форме // Международный научно-технический конгресс “Процессы плавки, обработки и разливки металлов: отливки, слитки, заготовки”. - Тез. докл. - 6-7 июня 2006 г. - Киев: ФТИМС, 2006. - С. 66-68.

17. Фесенко А. Н., Косячков В. А., Фесенко М. А. Технологические особенности модифицирования чугуна в литейной форме // Матеріали другої Міжнародної науково-практичної конференції „Наукові дослідження - теорія та експеримент 2006”. 15-17 травня 2006 р.- Полтава: “ІНТЕРГРАФІКА”, 2006. - С. 71-74.

18. Косячков В. А., Фесенка М. А. Дифференциация структуры и свойств чугунных отливок методом внутриформенного модифицирования // Сб. материалов первой международной научно-технической конференции молодых специалистов “Азовмаш 2006”. - С. 67.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах: [1, 3-8] - планування експерименту, розроблення методики, проведення експериментальних досліджень, оброблення і оцінка результатів.

[9, 10, 11] - проведення експериментальних перевірок нових технічних рішень, покладених у формулу винаходу, оформлення заявок на винахід.

[12-18] - проведення експериментальних досліджень, оброблення і оцінка результатів, написання тез доповідей.