Комплексное исследование влияния вибрации на свойства серого чугуна с целью получения герметичных отливок

Одним из важнейших свойств многих отливок является герметичность, под которой понимается способность внутренней части изделия выдержать определенное давление жидкости или газа. Герметичные отливки изготавливают из стали, цветных сплавов или высокопрочного чугуна, что значительно увеличивает стоимость этих отливок. Ряд деталей для гидроаппаратуры, работающих при давлениях 15−20 МПа, изготавливают из серого чугуна с низким содержанием углерода и фосфора. При производстве данного типа отливок повышенные требования предъявляются к качеству исходных шихтовых материалов, условиям плавки металла, методам внепечной обработки расплава.

Большой практический интерес представляет разработка технологии и методов получения герметичных отливок на основе дешевых шихтовых материалов без внепечной обработки расплава. Данный подход позволяет значительно снизить затраты на производство отливок.

Одним из таких методов является вибрация. В связи с этим актуальным является применение технологии вибрационной обработки расплава, которая одновременно позволяет уменьшить размеры графитных включений и воздействовать на усадочные процессы при производстве герметичных отливок из чугуна.

Цели и задачи работы. Исследование и разработка технологии получения герметичных отливок из серого чугуна на основе внешнего вибрационного воздействия на расплав в процессе затвердевания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать воздействие вибрации на механические свойства, микрои макроструктуру отливок из серого чугуна, а также на усадочные процессы в серых чугунах.

2. Исследовать влияние типа плавильного агрегата на герметичность отливок, получаемых с применением вибрации.

3. Разработать методику прогнозирования воздействия вибрации на размер и форму графита на основе метода дифференциально-термического анализа.

4. Определить оптимальные режимы вибрационного воздействия на затвердевающий чугун с целью повышения механических свойств и герметичности отливок.

5. Практически реализовать результаты исследований с целью улучшения эксплуатационных свойств отливок.

Научная новизна.

1. Определены и исследованы оптимальные режимы вибрационной обработки отливок из серого чугуна, способствующие измельчению графитных включений, устранению газоусадочной пористости, улучшению условий питания и, как следствие, повышению герметичности сплавов в комплексе с другими свойствами.

2. Установлено, что ведущими параметрами при оптимизации процесса вибрационного воздействия являются частота и ускорение вибрации.

3. Установлена взаимосвязь различных режимов вибрации и скорости охлаждения отливки в форме с размерами и формой включений графита, а так же механическими свойствами и герметичностью отливок.

Практическая ценность работы. Воздействие вибрации на кристаллизующийся расплав обеспечивает получение сплавов, обладающих повышенной герметичностью и механическими свойствами. Оптимальные вибрационные режимы можно рекомендовать для получения герметичных отливок из серого чугуна с более высокими механическими и технологическими характеристиками, чем без вибрационной обработки.

Разработан аппаратно-программный измерительный комплекс, обеспечивающий измерение различных аналоговых сигналов и программное обеспечение для сбора и обработки данных (сглаживание, дифференцирование данных). С целью повышения информативности усовершенствован метод обработки данных дифференциально-термического анализа, предложена методика построения дифференциальных термограмм.

В промышленных условиях опробована технология получения герметичных отливок из чугуна марки СЧ 20, основанная на внешнем воздействии вибрацией. Данная технология позволяет в ряде случаев отказаться от необходимости применения чугуна с низким содержанием углерода и фосфора для получения герметичных отливок с сохранением параметров герметичности на требуемом уровне. На защиту выносятся.

1. Результаты исследований влияния вибрации на герметичность, механические, эксплуатационные свойства, микрои макроструктуру отливок из серого чугуна.

2. Методика прогнозирования размеров и формы графитных включений на основе данных дифференциально-термического анализа.

3. Результаты исследований по определению оптимальных режимов вибрации с целью повышения герметичности отливок из серого чугуна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Вибрация является эффективным внешним воздействием на кристаллизацию серых чугунов. Под действием вибрации повышается твердость на 8−10%, увеличивается временное сопротивление разрыву на 10−12%, наблюдается уменьшение размера пластин графита с 250−290 мкм до 100−120 мкм. В результате улучшения питания отливки возрастает плотность чугуна на 1,0−1,2%.

2. Установлено, что чугун индукционной плавки обладает на 15−20% большей герметичностью, чем чугун того же химического состава, выплавленный в вагранке.

3. Разработана методика прогнозирования размера графитных включений на основе данных дифференциально-термического анализа в зависимости от скоростей охлаждения в характерных точках дифференциальной термограммы.

4. Определен оптимальный диапазон ^=20−30 Гца=0,15−0,30 мм) режимов внешнего воздействия вибрацией для повышения герметичности и прочностных свойств отливок из серого чугуна, с приведенным размером 5−7,5 см. При оптимальном режиме выявлено, что временное сопротивление разрыву увеличивается на 15−20%, герметичность возрастает с 3,0−4,0 МПа/см2 до 6,0−7,0 МПа/см2.

5. Промышленное опробование результатов исследований в условиях ОАО «Алтайский завод топливных насосов» показало, что применение технологии вибрационной обработки серого чугуна позволило увеличить герметичность опытной партии отливок на 60−80%.