Анализ взаимосвязи структуры и механических свойств отливок из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита. Влияние благоприятного сочетания физико-механических, эксплуатационных и технологических свойств чугуна на рост объема его производства.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА Канд. техн. наук Л.И. Путятина, д-р техн. наук Л.А.В статье приведены результаты анализа взаимосвязи структуры и механических свойств отливок из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, опыта и перспектив их промышленного применения. Показано, что рост объема производства отливок из высокопрочного чугуна обусловлен исключительно благоприятным сочетанием физико-механических, эксплуатационных и технологических свойств этого конструкционного материала, а также экономическими соображениями. У статті наведено результати аналізу взаємозвязку структури і механічних властивостей виливків з високоміцного чавуну з кулястою формою графіту, досвіду і перспектив їхнього промислового застосування. Показано, що зростання обсягу виробництва виливків з високоміцного чавуну обумовлено виключно сприятливим поєднанням фізико-механічних, експлуатаційних і технологічних властивостей цього конструкційного матеріалу, а також економічними міркуваннями. It is shown that the growth in the production of castings of ductile iron is caused exclusively by a favorable combination of physical, mechanical, operational and technological properties of this material, as well as economic considerations.Отличительные особенности ВЧШГ в сравнении со сталью - более высокое отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, равное 0,7-0,8 (против 0,50-0,55 для стали), достаточно высокий модуль упругости, низкая чувствительность к концентраторам напряжений, повышенная (в 1,5-3,5 раза) циклическая вязкость - позволяют считать этот конструкционный материал весьма перспективным. Высокая жидкотекучесть этого сплава открывает возможности расширить номенклатуру изделий из него, снизить сечение и массу отливок, повысив тем самым их жесткость. Наиболее распространенным в мировой практике способом получения высокопрочного чугуна является магниевый процесс, основанный на введении в расплав металлического магния, магниевых лигатур и комплексных модификаторов, содержащих магний. Основными факторами регулирования литой структуры и уровня физико-механических и эксплуатационных характеристик высокопрочного чугуна являются: качество исходного расплава, режимы модифицирования (включающие состав, количество, способ и очередность ввода присадок), химический состав и скорость затвердевания металла. Номенклатура отливок из ВЧШГ, освоенная в мировом транспортном машиностроении, включает в себя коленчатые и распределительные валы, блоки цилиндров, кронштейны рессор, картеры заднего моста, дифференциала и делителя, шатуны, тормозные барабаны, диски сцепления, маховики, выхлопные коллекторы, крышки подшипников, ступицы, зубчатые колеса, поршни, поршневые кольца, корпуса турбин, сервоцилиндры, кулаки заднего моста, поворотные шкворни, водила планетарного механизма конечной передачи, корпуса передней оси, рычаги поворотного кулака и др.
Введение
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ), характеризующийся сочетанием высоких технологических, физико-механических и эксплуатационных характеристик, широко применяется взамен стального литья, поковок, штамповок, ковкого
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 150
Технологія металів та матеріалознавство и серого чугунов, обеспечивая надежность и долговечность изделий в различных режимах эксплуатации. Отличительные особенности ВЧШГ в сравнении со сталью - более высокое отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, равное 0,7-0,8 (против 0,50-0,55 для стали), достаточно высокий модуль упругости, низкая чувствительность к концентраторам напряжений, повышенная (в 1,5-3,5 раза) циклическая вязкость - позволяют считать этот конструкционный материал весьма перспективным. Высокая жидкотекучесть этого сплава открывает возможности расширить номенклатуру изделий из него, снизить сечение и массу отливок, повысив тем самым их жесткость. Широкое использование ВЧШГ в деталях машин, наряду с их надежностью, является мощным резервом снижения расхода материалов, энергозатрат, себестоимости изделий и улучшения показателей их работы [1, 2].
Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важними научными и практическими задачами. Промышленное освоение чугунов с шаровидным графитом начато в 1948-1949 гг., когда фирма «International Nickel Company» (INCO) (США) и Британская исследовательская ассоциация чугунного литья опубликовали первые патентные материалы по технологии получения нового сплава (патенты США № 2485760 и № 2488511). В тех же годах (1948-1949) в Киеве и Москве начинает активно развиваться это направление: создаются научные школы по разработке технологий получения ВЧШГ и изучению свойств высокопрочных чугунов. В настоящее время удельный вес отливок из высокопрочного чугуна в общем объеме чугунного литья можно считать весьма объективным показателем уровня развития литейного производства в стране.
Анализ последних исследований и публикаций. По теории и практике применения высокопрочного чугуна при изготовлении отливок опубликовано очень большое количество работ, как нашими, так и зарубежными учеными. Равно как и по исследованию механизмов получения высокопрочных чугунов.
Несмотря на обилие трудов на эту тему, до сих пор дискуссионными остаются такие важные вопросы, как оптимальный состав модификатора, условия и технологии модифицирования, механизм образования графита, режимы термообработки и др.
Влияние структуры на механические свойства изделий из ВЧШГ также широко освещено в технической литературе и используется в практике металлургического производства. Однако в настоящее время еще нет систематизированных данных, позволяющих разработать технологический процесс производства изделий из деформированного чугуна с учетом характера изменения его структуры при различных методах ОМД, что часто приводит к снижению физико-механических свойств, а, следовательно, и ухудшению качества готовых изделий. Во многих случаях выбор схемы деформации определяется наличием оборудования. Например, попытки получения трубной заготовки из чугуна чаще всего осуществляют методом горячего прессования, что приводит к высокой анизотропии свойств и невозможности дальнейшего использования изделий при радиальных нагрузках, эксплуатации их под внутренним давлением [3-6].
Определение цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение и анализ взаимосвязи структуры и механических свойств отливок из ВЧШГ, опыта и перспектив их промышленного применения.
Основная часть исследования. Наиболее распространенным в мировой практике способом получения высокопрочного чугуна является магниевый процесс, основанный на введении в расплав металлического магния, магниевых лигатур и комплексных модификаторов, содержащих магний.
Основными факторами регулирования литой структуры и уровня физико-механических и эксплуатационных характеристик высокопрочного чугуна являются: качество исходного расплава, режимы модифицирования (включающие состав, количество, способ и очередность ввода присадок), химический состав и скорость затвердевания металла.
Для чугуна с шаровидным графитом характерна заметная пластичность и вязкость, которые обусловливаются шаровидной формой включений графита, получаемой в процессе изготовления отливок. Чугуны с шаровидным графитом имеют широкий диапазон
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 151
Технологія металів та матеріалознавство механических и эксплуатационных свойств. Механические свойства чугуна с шаровидным графитом регламентируются ГОСТ 7293-85 (см. таблицу).
Таблица Механические свойства чугуна с шаровидным графитом (ГОСТ 7293-85)
В настоящее время все более широкое распространение на заводах находит термическая обработка чугуна. Отливки из высокопрочного чугуна подвергаются различным видам термической обработки: низкотемпературному и графитизирующему отжигу, нормализации, изотермической закалке, поверхностной закалке с нагревом ТВЧ. Одной из особенностей термической обработки чугуна, в отличие от стали и цветных металлов, является необходимость более строгого учета структуры и механических свойств материала в исходном состоянии. При термической обработке чугунные детали необходимо нагревать и охлаждать с такой скоростью, которая гарантировала бы от образования наружных и внутренних трещин и деформаций. В изделиях большого сечения и сложной конфигурации особенно рекомендуется пониженная скорость нагрева и охлаждения. Опасной является повышенная скорость нагрева в температурной области упругого состояния. Для чугуна этот интервал находится при температурах от 20 до 5000С. При более высоких температурах скорость нагрева может быть увеличена [7-9].
Номенклатура отливок из ВЧШГ, освоенная в мировом транспортном машиностроении, включает в себя коленчатые и распределительные валы, блоки цилиндров, кронштейны рессор, картеры заднего моста, дифференциала и делителя, шатуны, тормозные барабаны, диски сцепления, маховики, выхлопные коллекторы, крышки подшипников, ступицы, зубчатые колеса, поршни, поршневые кольца, корпуса турбин, сервоцилиндры, кулаки заднего моста, поворотные шкворни, водила планетарного механизма конечной передачи, корпуса передней оси, рычаги поворотного кулака и др. Особо высокий технико-экономический эффект обеспечивает производство из бейнитного чугуна с шаровидным графитом коленчатых валов в автомобилестроении. Средние значения предела выносливости коленчатых валов при ступенчатых испытаниях на изгиб в случае бейнитного чугуна вдвое выше по сравнению с высокопрочным перлитным чугуном с шаровидным графитом. При одинаковой конструкции коленчатые валы из бейнитного чугуна имеют на 10 % меньшую массу и на 20 % меньший модуль упругости при одинаковых показателях относительного удлинения и твердости.
Выводы на основании исследования и перспективы, дальнейшее развитие в данном направлении. Проведенный анализ показал, что рост объема производства отливок из ВЧШГ обусловлен исключительно благоприятным сочетанием физико-механических, эксплуатационных и технологических свойств этого конструкционного материала, а также экономическими соображениями.
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 152
Технологія металів та матеріалознавство
Наиболее актуальными для исследования в настоящее время являются вопросы, касающиеся оптимизации технологических параметров при получении, термообработке и поверхностном упрочнении ВЧШГ, закономерностей структурообразования при горячей пластической деформации отливок из ВЧШГ, а также повышения эффективности и совершенствования процессов механической обработки чугунных заготовок.
3. Корниенко, Э.Н. Перспективы производства отливок из ЧШГ аустенитно-бейнитного класса [Текст] / Э.Н. Корниенко, А.Г. Панов, Д.Ф. Хальфин // Литейщик России. - 2006. - № 2. - С. 22-25.
4. US2485760. Cast ferrous alloy. K.D. MILLIS AT AL.
5. Высококачественные чугуны для отливок [Текст] / В.С. Шумихин, В.П. Кутузов, А.И. Храмченков [и др.]; под ред. Н.Н. Александрова. - М.: Машиностроение, 1982. - 222 с.
6. Любченко, А.П. Высокопрочные чугуны [Текст] / А.П. Любченко. - М.: Металлургия, 1982. - 120 с.
7. Литовка, В.И. Повышение качества высокопрочного чугуна в отливках [Текст] / В.И. Литовка. - К.: Наук. думка, 1987. - 208 с.
8. Захарченко, Э.В. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом [Текст] / Э.В. Захарченко, Ю.Н. Левченко, В.Г. Горенко, П.А. Вареник. - К.: Наук. думка, 1986. - 248 с.
9. Путятіна, Л.І. Формування поверхневого шару виробів з високоміцного чавуну у процесі комплексної механічної обробки [Текст] / Л.І. Путятіна // Зб. наук. праць. - Харків: УКРДАЗТ, 2002. - Вип. 49. - С. 90-93.
Путятіна Лариса Іванівна, канд. техн. наук, доцент кафедри матеріалів та технологій виготовлення виробів транспортного призначення Української державної академії залізничного транспорту. Тел.: (057) 730-10-49. Е-mail: zdelanovklase@mail.ru.
Тимофеєва Лариса Андріївна, д-р техн. наук, професор кафедри матеріалів та технологій виготовлення виробів транспортного призначення Української державної академії залізничного транспорту. Тел.: (057) 730-10-49.
Putyatina Larisa Ivanovna, c-t of techn. science, docent department of materials and manufacturing techniques for transport purposes Ukraine State Academy of Railway Transport. Tel.: (057) 730-10-49. E-mail: zdelanovklase@mail.ru.
Timofeeva Larisa Andreevna, d-r of techn. science, professor department of materials and manufacturing techniques for transport purposes Ukraine State Academy of Railway Transport. Tel.: (057) 730-10-49.
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 153
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
