Оптимизация металлургических, конструкторских и технологических факторов с целью повышения герметичности и надежности литых деталей из чугуна, работающих в машинах под высоким давлением

Развитие и техническое преобразование промышленного производства на основе научно-технического прогресса является одним из важнейших условий укрепления материально-технической базы страны.

Материальной основой технического перевооружения народного хозяйства является машиностроение, главной задачей которого является обеспечить все отрасли высокоэффективными машинами и оборудованием. В последние десятилетия в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве получили широкое и разнообразное применение сжатые газы, что повлекло за собой развитие новой крупной отрасли — компрессо-ростроения. Отечественное компрессоростроение начало развиваться с 1931 года. За истекший период были созданы современные конструкции компрессоров, выполнены обстоятельные теоретические и экспериментальные исследования в области компрессоростроения и организовано серийное производство компрессоров на многих предприятиях нашей страны.

Отечественным компрессоростроением освоено производство большой серии различных компрессорных машин, начиная от вакуум-насосов, газодувок и кончая компрессорами высокого и сверхвысокого давления.

Повышенные скорости, жидкие рабочие и газовые среды (воздух, фреон, углекислый газ, водород, гелий и др.), в условиях которых работают компрессоры, усиливают необходимость жестких требований, предъявляемых к деталям компрессоров. Особенно высокие требования предъявляются к специфическим литым деталям цилиндровой, поршневой и корпусной групп.

В современных компрессорных установках масса литых деталей составляет 60−80%. Большинство литых деталей изготавливаются из серого чугуна. К литым деталям для компрессоров предъявляются высокие требования по структуре, физико-механическим свойствам, чистоте по неметаллическим включениям и др.

Особенно высокие требования предъявляются к отливкам по плотности и герметичности. В литых деталях, прошедших механическую обработку и работающих под высоким давлением, недопустимы течь, местные «потения», возникающие в процессе гидроиспытаний или эксплуатации.

Высокие технические требования к литым деталям для компрессоров высокого давления значительно усложняют их производство и требуют решения ряда технических задач по разработке и внедрению в производство надежных способов получения литых деталей высокой герметичности. Несмотря на то, что по вопросам повышения герметичности отливок имеются некоторые теоретические разработки и производственный опыт заводов, в настоящее время требуется дальнейшее изучение этой важной характеристики сплавов. Получение герметичных литых деталей со стабильными эксплуатационными характеристиками является актуальной проблемой литейного производства.

В настоящее время при наличии больших потерь от брака литых деталей непроизводительные издержки производства достигают больших величин. По имеющимся данным на предприятиях компрессорного и холодильного машиностроения брак чугунных литых деталей по негерметичности, обусловленный такими литейными пороками, как пористость, усадочные и газовые раковины, трещины и др. составляет 50−56% от общего брака отливок.

Поэтому повышение герметичности литых деталей для компрессоров и снижение потерь от брака рассматривается как один из значительных факторов повышения производительности труда и рентабельности литейных цехов за счет использования внутренних резервов и повышения технического уровня производства. Это особенно актуально в современных условиях, когда повышение конкурентоспособности изделий определяет их выход на внутренний и внешний рынки.

Анализ производства литых деталей для компрессоров показывает, что основными причинами появления в них литейных пороков являются факторы, которые обусловлены исходными материалами, технологией литейной формы, процессами плавки и качества литого металла, условиями его заливки, затвердевания отливок в литейной форме, особенностями конструкции литой детали и др. При исследовании влияния различных факторов на герметичность в центре внимания должна находиться отливки со всем комплексом присущих ей специфических особенностей.

Повышение герметичности литых деталей из чугуна представляет сложную задачу и требует проведения целого комплекса исследовательских работ.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение надежности и конкурентоспособности машин, и прежде всего, компрессоров путем обеспечения высокой герметичности литых деталей из чугуна.

В настоящей работе рассмотрены некоторые наиболее важные вопросы, имеющие научное и практическое значение в производстве ответственных отливок. Имея в виду разработку оптимальных условий изготовления качественных литых деталей из серого чугуна для компрессоров высокого давления, настоящая работа включает в себя решение следующих задач:

— на основе уточнения и дальнейшего развития методики исследования изучить на технологических пробах и отливках влияние структуры чугуна на герметические характеристики литых деталей;

— исследовать влияние некоторых металлургических факторов (шихтовые материалы, модифицирование и легирование, способы плавки и др.) на герметичность отливок из серого чугуна;

— исследовать влияние наиболее существенных технологических факторов (материал литейной формы, подвод металла, поверхностное микролегирование) на герметичность отливок из серого чугунаисследовать влияние конструкторских факторов и напряженного состояния литых деталей из чугуна на их герметические характеристики;

— предложить мероприятия по повышению герметичности отливок и методы по объективному контролю герметических характеристик литых деталей из чугуна.

Диссертация направлена на повышение качества ответственных литых деталей из чугуна, надежности и долговечности компрессорного оборудования и улучшение технико-экономических показателей работы литейных цехов машиностроительного комплекса.

Выполненные исследования позволили получить следующие новые научные результаты и положения, которые выносятся на защиту:

• количественная оценка влияния химического состава и структуры чугуна на герметичность отливок;

• методология комплексного воздействия на структурообразо-вание чугуна с целью повышения его герметичности;

• методика прогнозирования герметичности отливок и оптимизации металлургических, конструкторских и технологических факторов;

• принципы обеспечения технологичности конструкции отливок с точки зрения их герметичности;

• закономерности влияния напряженного состояния и внутренних напряжений в отливках на герметичность литых деталей из чугуна;

• методика обеспечения заданного уровня герметичности по всей поверхности и зонам отливки, имеющим разную толщину стенок, с использованием разработанных автором покрытий и микролегирования чугуна;

• методика расчета и конструирования литниковых систем, ориентированных на обеспечение заданной структуры и герметичности литых деталей из чугуна.

Практическая значимость работы состоит в следующем:? разработан комплекс мероприятий, включающий прогрессивные технологические процессы индукционной плавки, электрошлакового переплава чугуна, применение металлических и оболочковых литейных форм, поверхностного микролегирования и легирования чугунных отливок, применения специальных конструкций литниковых систем и др., позволяющий при внедрении на заводах компрессорного машиностроения значительно повысить герметические характеристики и надежность литых деталей из чугунаа разработаны и внедрены в производство рекомендации по конструированию чугунных отливок с высокими герметическими характеристикамиа усовершенствованы научно-обоснованные методы и оборудование для контроля герметичности чугунных отливок, разработана и внедрена в производство соответствующая технологическая документация (инструкции, техпроцессы и др.) — снижен брак по негерметичности отливок на 55−60%.

Реализация работы осуществлялась в ходе выполнения разработанных мероприятий на Уральском компрессорном заводе и других заводах компрессорного машиностроения.

Внедрение мероприятий по повышению герметичности отливок из чугуна позволило снизить себестоимость 1 тонны годных отливок на 6 — 8 рублей и обеспечить экономический эффект 467 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.).

Результаты исследования внедрены на ряде заводов тяжелого и транспортного машиностроения и других заводах машиностроительного комплекса.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 22 конференциях, совещаниях и семинарах и 5 Всесоюзных и региональных конференциях по проблемам качества и надежности в ком-прессоростроении. Из них наиболее существенными по проблеме герметичности были доклады на:

• ХХП Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков (г. Харьков, 1967 г.);

• Всесоюзном семинаре по герметичности литейных сплавов (г.Одесса, 1967 г.);

• ХХЗУ Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков (г. Свердловск, 1969 г.);

• Научно-техническом совете научно-исследовательского института «ВНИИТЕХМАШ» (г. Сумы, 1969 г.);

• Всесоюзном научно-техническом семинаре «Новейшие достижения в кокильном литье» (г. Одесса, 1971 г.);

• Совещании Главных специалистов Минхинефтемаша (г. Москва, 1975 г.);

• Конференции по качеству отливок из чугуна НПО «Союзком-прессормаш» (г. Ташкент, 197 г.);

• Технико-экономическом совете Уральского компрессорного завода (г. Свердловск, 1986 г.);

• Конференции «Прогрессивные технологические процессы и подготовка кадров для литейного производства» (г. Екатеринбург, 1988 г.);

• Расширенном заседании технико-экономического совета АООТ «Уральский компрессорный завод» (г. Екатеринбург, 1998 г.).

Публикация материалов работы. По материалам диссертации опубликовано 20 работ и получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

За достигнутые успехи по внедрению в производство передовых технологических процессов, в том числе по теме диссертации автор награжден тремя медалями ВДНХ. За успехи в развитии компрессорного машиностроения он награжден орденами и медалями СССР, Грамотой губернатора Свердловской области. За активную изобретательскую и рационализаторскую работу в области литейного производства ему присвоено почетное звание «Заслуженный рационализатор РСФСР» (1973 г.). За успехи по внедрению прогрессивной технологии автору присвоено почетное звание «Заслуженный металлург Российской Федерации» (1993 г.). За заслуги в деле возрождения науки и экономики России Президиум Международной академии наук о природе и обществе наградил автора дипломом и медалью Петра I (1997 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 10 таблиц и список использованных источников в количестве 126 наименований.

Выводы.

1. На основе полученных в исследовании результатов подтверждены на конкретных отливках положительные результаты повышения их герметичности.

2. Подбор шихтовых материалов, улучшение условий плавки, легирование и модифицирование чугуна, изготовление отливок в оболочковых, металлических и центробежных формах позволили улучшить структуру чугуна, уменьшить пористость и другие литейные пороки, обеспечив высокую герметичность деталей.

3. Весьма эффективными мерами по регулированию структуры чугунных отливок явились микролегирование Те и А1, введение сбалансированных добавок Си, №, Мо, Сг, Эп, 8Ь, А1, Ва и др.

4. Внедрение тонкой фильтрации жидкого чугуна через кремнеземные сетки обеспечили поступление в литейную форму очищенного от неметаллических включений жидкого чугуна, обеспечив при этом высокие показатели по герметичности и экономии металла.

5. Проведена работа по повышению технологичности конструкции отливок с учетом оптимального напряженного состояния, что в комплексе с металлургическими и технологическими факторами обеспечивает высокие показатели по герметичности.

6. Подтверждены расчеты по предложенным формулам для предварительного расчета герметичности отливок.

7. Внедрение результатов исследования позволило сократить брак отливок и обеспечить только по заводам компрессорного машиностроения экономический эффект 467 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.). Результаты исследований нашли применение на других заводах народного хозяйства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Для достижения поставленной перед диссертационной работой цели — повышения надежности и конкурентоспособности машин путем обеспечения высокой герметичности чугунных отливок был выполнен комплекс исследований, позволивший разработать научно обоснованную систему мероприятий по комплексному управлению технологическим процессом изготовления отливок.

1. Прежде всего, уточнено и теоретически обосновано понятие герметичности, определены влияющие на нее факторы:

• герметичность литых деталей является мерой сопротивления материала проникновению через его стенку рабочих жидкостей или газов, находящихся под избыточным давлением.

Она является важным физико-механическим свойством, определяющим для ряда деталей эксплуатационные характеристики. Герметичность зависит от многих параметров отливки (конструкции детали, металлургических и технологических факторов ее изготовления).

Опыт многих исследователей показал, что односторонний подход к изучению герметичности не дает объективной оценки этих зависимостей. Комплексный подход к исследованию герметичности отливок, учитывая влияние металлургических, технологических и конструкторских факторов, позволяет более объективно установить между ними зависимости и определить конкретные меры повышения качества отливок. При этом существующие методики исследования герметичности чугуна нуждаются в уточнениях и изменениях;

• уточнена и расширена методика исследования герметичности отливок за счет усовершенствования конструкции плоского образца для испытания чугуна на герметичность, введения новых характерных проб и отливок.

Расширена техническая возможность герметометра для испытания образцов и отливок на более высокое давление до 60 МПа. Применена установка для исследования герметичности сплавов методом измерения на-текания газа через образец с возможностью использования измерительной трубки для крупной пористости и течеискателя для малой пористости. В методике учтено влияние возможных случайных отклонений некоторых параметров литейной технологии на герметичность;

• на основе результатов комплексных исследований, выполненных на чугунах различных составов и структур, уточнена известная и разработана новая методика расчета герметичности отливок. Показано, что следует различать герметичность чугуна, определяемую на образцах, и герметичность отливок при их эксплуатации.

Разработана и широко опробована формула для прогнозирования герметичности отливок, учитывающая геометрические характеристики отливок, коэффициент нагрузки, связанный с характером напряжений в данном элементе отливки, химический состав чугуна, продолжительность затвердевания частей отливки и их пористость. Формула позволяет на основе прогноза уже на стадии проектирования отливки придать ей необходимую для обеспечения герметичности конфигурацию;

• получены данные о количественных соотношениях между пористостью, герметичностью, расклинивающим давлением, прочностью чугуна в отливках. Определены условия образования «транзитных» не-сплошностей в чугуне. Показано распределение важнейших химических элементов чугуна в различных зонах разностенной отливки и их влияние на пористость чугуна.

Из полученных данных исследования образцов и результатов испытания отливок видно, что герметичность более чувствительнее, чем прочность к пористости чугуна. Пористость чугуна в пределах 10−12% является критической, так как при более высоких ее значениях отливки обладают незначительной герметичностью.

Так же показано и количественно оценено влияние случайных отклонений химического состава чугуна на герметичность отливок.

2. На большом количестве образцов исследовано влияние на герметичность комплекса металлургических, технологических и конструкторских факторов и определены их оптимальные значения:

• на экспериментальном материале показано влияние химического состава чугуна, скорости охлаждения отливки, условий ее питания и других факторов на образование пористости.

Исследованиями подтверждено, что для отливок из серого чугуна зона переохлаждения кристаллов и переходная зона составляют незначительную величину по сравнению с центральной зоной равноосных крупных кристаллов, которые характеризуются развитой графитной и микроскопической пористостью.

В зависимости от толщины стенки отливки и теплофизических свойств литейной формы установлены графические зависимости, позволяющие количественно оценить влияние химического состава и пористости на герметичность отливок. Показано количественное изменение значения герметичности от поверхностных слоев до центральных зон отливки (максимальная герметичность в поверхностном слое, минимальная — в средней массивной части отливки);

• исследована герметичность уральских литейных чугунов (нижнетагильский, алапаевский, серовский) и показана степень их влияния на герметичность литых деталей для компрессоров. Отливки, изготовленные с применением чугуна Алапаевского металлургического завода имеют более высокий коэффициент герметичности по сравнению с применением в шихте чугунов Нижне-Тагильского металлургического комбината и Се-ровского металлургического завода. Средний коэффициент герметичности соответственно равен: для алапаевского чугуна — 870 кЕГ, для нижнетагильского — 275 кЕГ, для серовского — 235 кЕГ;

• установлено, что применение в шихте передельных чугунов и стальных металлоотходов в пределах 20−35% повышает физико-механические и герметические характеристики чугунных отливок за счет получения более дисперсной и однородной структуры;

• исследованиями показано, что отливки, полученные из чугуна, выплавленного в индукционных печах (плавки ИУ-1, ИУ-2 и др.) и полученного электрошлаковым переплавом (ЭШ-2), обладают более высокими герметическими характеристиками, чем отливки, полученные из ваграночного чугуна.

Подтверждены и дополнены данные о положительном влиянии на герметичность модифицирования и легирования чугуна. Разработаны графические зависимости влияния химического состава чугуна на герметичность отливок;

• исследованиями установлено положительное влияние на герметичность микролегирования чугуна сурьмой и оловом и определены оптимальные количества добавок: для олова 0,08−0,1%, для сурьмы -0,150,2%.

Улучшению структуры чугуна при добавке сурьмы способствуют объемные изменения в кристаллической решетке сплава, обусловленное большей разницей (около 30%) в размерах атомных радиусов сурьмы и железа.

Влияние олова на структуру чугуна в значительной степени связано с его взаимодействием с железом, его распределением по границам эвтектических колоний, способствующих перераспределению кремния в металлической основе чугуна, а также объемными изменениями в кристаллической решетке, обусловленной разницей атомных радиусов олова и железа;

• изучение легирования чугунных отливок цилиндровой группы деталей компрессоров (цилиндры, блоки, головки и др.) показало, что медь, никель, хром, молибден способствуют повышению герметичности и прочности отливок. При этом установлены оптимальные соотношения в виде сбалансированных комплексных добавок этих элементов.

Си+%т л -= 4 + 4,5.

Сг.

В сбалансированных добавках должно содержаться 0,15−0,2% N1, 0,5−0,8% Си. При этом медь может частично заменяться 0,3−0,5% №. Положительное влияние на структуру чугуна оказывает добавка 0,08−0,1% титана.

В опытных плавках показано, что в целях снижения пористости, рыхлот и склонности отливок к надрезам, содержание фосфора должно быть в пределах 0,2−0,3%, хрома — 0,2−0,25%;

• существенное повышение герметичности обеспечивает модифицирование чугуна магнием, церием, силикобарием;

• изучено влияние на герметичность легирования чугунных отливок алюминием. Высокие показатели по герметичности и прочности чугуна получены при содержании алюминия 1,3−1.5% при низком содержании углерода (2,6−2.8%), кремния (0,6−0,8%), фосфора (0,08−0,1%), марганца (0,8−0,9%) и модифицированием сплава силикокальцием.

Алюминий в структуре чугуна способствует перераспределению сил межатомных связей. Кристаллическая решетка алюминиевого феррита в более значительной степени деформирована, напряжена и упрочнена, чем кремнистого чугуна (разница атомных радиусов Ре и А1 составляет 13%, а Бе и — 6,4%). На структуру и свойства чугуна, легированного алюминием, большое влияние оказывают тугоплавкие карбиды, являющиеся зародышами его кристаллизации и способствующие уменьшению влияния эвтектического зерна, что обеспечивает дисперсную структуру перлита и графита, их более равномерное распределение в массивных и тонких сечениях отливки;

• исследованиями установлено, что на герметичность чугуна оказывает влияние конструкция отливки. При испытании имитирующих проб выявлено, что сжимающие напряжения в стенках отливок увеличивают герметичность пропорционально их величине, а растягивающие напряжения снижают герметичность по сравнению с ненагруженными стенками отливок в 12−20 раз;

• из результатов исследования имитирующих проб видно, что отливки из ваграночного чугуна имеют более высокие внутренние напряжения, чем отливки из чугуна индукционной плавки. Это в значительной степени обусловлено структурными изменениями чугуна (феррито-перлитная структура и перлитная структура);

• подтверждено исследованиями имитирующих проб и отливок, что на величину внутренних напряжений оказывают влияние условия их первоначального нагружения (знак и величина), масштабный фактор, конфигурация отливки, физико-механические свойства чугуна в отливках и другие факторы;

• исследованиями образцов, имитирующих отливок и литых деталей компрессоров подтверждены и получены дополнительные данные, что на герметичность большое влияние оказывают технологические факторы.

Установлены зависимости коэффициента герметичности для отливок, изготовленных в различных по теплофизическим свойствам литейных формах (песчаная, оболочковая, металлическая). Отливки, изготовленные из чугуна одного и того же химического состава в металлических и оболочковых формах, имеют более высокие показатели герметичности, чем отливки, изготовленные в сухих песчаных формах. Это в значительной степени связано с высокой жесткостью литейных форм и благоприятными условиями охлаждения, влияющими на структуру и физико-механические свойства чугуна.

На основе полученных данных установлены зависимости времени охлаждения различных по толщине стенок отливок для песчаных, оболочковых и металлических форм. Изготовление отливок в серийном производстве компрессоров показало, что применение оболочковых, металлических форм, центробежной отливки и локальных холодильников в несколько раз повышают герметичность отливок по сравнению с песчаными литейными формами;

• установлена высокая эффективность регулирования структуры поверхностным микролегированием чугунных отливок методом покрытия участков литейных форм специальными пастами.

Используя эффект смачивания поверхности литейной формы жидким чугуном и соответствующий термофильтрационный режим покрытия, введением в его состав карбидообразующих (теллур) и графитообразую-щих (алюминий) элементов, представляется возможным управлять процессами кристаллизации отливок. Воздействуя на их массивные и тонкие сечения, эффективно влияя на устранение усадочных пороков и выравнивая твердость чугуна в разных сечениях отливки, достигается равномерная ее. структура;

• на отливках цилиндровой и корпусной групп компрессорных деталей показаны эффективность дождевых и щелевых литниковых систем. Разработаны методика их расчета и конструирования.

Проведены работы по использованию кремнеземных стеклоткане-вых сеток марки КС-11-ЛА и щелевых фильтров КН-11, позволяющие обеспечивать хорошую фильтрацию жидкого чугуна от неметаллических включений и повышающие качество отливок.

3. Разработана методика технологического и конструкторского обеспечения заданного уровня герметичности отливок, включающая:

• обеспечение технологичности конструкции отливок на основе прогнозирования герметичности на стадии проектирования;

• выбор способа изготовления отливки и материала литейной формы, обеспечение необходимых скоростей охлаждения различных конструктивных элементов отливки;

• обеспечение требуемой структуры чугуна в отливках и снижение уровня пористости путем применения в оптимальных пределах легирования и микролегирования алюминием, медью, никелем, хромом, сурьмой, оловом, титаном и др., поверхностного микролегирования теллуром и алюминием, модифицированием чугуна, подбором соответствующих шихтовых материалов и процессов плавки чугуна;

• соблюдение предложенных в диссертации мероприятий по обеспечению необходимой стабильности технологических процессов плавки и изготовления отливок.

4. В проведенных исследованиях и конкретных примерах повышения герметичности литых деталей из чугуна доказано, что для отливок определенной конфигурации существует комплекс технологических условий, обеспечивающих при оптимальных металлургических факторах наибольшую вероятность получения заданных параметров по их герметичности, что способствует повышению их надежности и долговечности изделий в условиях эксплуатации.

5. Разработанный комплекс мероприятий внедрен на конкретных отливках цилиндров, блоков, корпусов, картеров компрессоров, что позволило снизить брак по негерметичности на 55−60%. По данным отраслевого института ВНИИТЕХМАШ внедрение разработок, изложенных в работе, обеспечило по заводам отрасли экономический эффект 467 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.). Полученные результаты используются в холодильном, насосном, моторном машиностроении и других предприятиях машиностроительного комплекса.