CC BY
64
SLehty-
Л ГГТТгП ГГ ГС<ТШгЛТГГ
4 (36). 2005
I PI
The terms of the cylinders block head working are examined. The choice of optimal structure of cast iron is proved on the basis of comparative investigations on thermocy cling.
J
А. Н. КРУТИЛИН, В. А. РОЗУМ, В. С. ЛОСЬ, Ю. Г. ПАНАРАД, А. Н. КУЗЬМИЧ, БИТУ, А. Н. КАРАСЬ, ПО «МТЗ»
УДК 621.746.628:669.13
ЧУГУН С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОСМЕН
Для повышения долговечности и безотказности двигателя требуется обеспечить надежную работу его наиболее ответственных и высоконаг-руженных в тепловом и механическом отношении деталей, к числу которых относится головка блока цилиндров.
Анализ работы двигателей показывает, что наиболее высокие напряжения в головках блока цилиндров возникают во внутренней стенке, которая, с одной стороны, нагревается продуктами сгорания топлива до температур порядка 500— 550 °С, с другой — охлаждается водой. Повторяющиеся колебания температуры способствуют образованию в деталях трещин вследствие термической усталости и деформаций. На термоциклическую стойкость материала оказывают влияние время действия и максимальная температура цикла. Увеличение градиента температур цикла, а также концентрация напряжений около неметаллических включений, пор, раковин и т.д. ускоряют появление трещин и снижают долговечность деталей. Температурный градиент по толщине стенки зависит главным образом от теплопроводности материала и в процессе работы двигателя остается примерно постоянным. Возникающие напряжения пропорциональны разности температур, уровню модуля упругости и коэффициенту термического расширения. Температурные напряжения складываются с механическими напряжениями, возникающими в процессе эксплуатации в связи с затруднением термического расширения и сжатия. На практике головка блока цилиндров подвергается воздействию высоких температур длительное время, напряжения в зонах концентрации могут превысить предел усталости, в результате чего образуются микротрещины.
На величину напряжений существенное влияние оказывает рост чугуна, который может быть вызван как внутренним окислением, так и структурными изменениями, происходящими под действием высоких температур.
Форсирование двигателей привело к снижению эксплуатационной стойкости головок блока цилиндров, изготовленных из серых, легированных Мо, Сг, №,Си, Бп, V чугунов с пластинчатой формой графита. Для обеспечения безаварийной работы высоконагруженных деталей дизелей потребовался чугун с пределом прочности более 300 МПа и удлинением не менее 2%. В качестве оптимального варианта для изготовления головок блока цилиндров предложено использовать ферритный чугун с вермикулярной формой графита [1]. Первые отливки из чугуна с верми-кулярным графитом применительно к головкам цилиндров крупных судовых дизелей были изготовлены в 1970 г. Использование ферритного чугуна с вермикулярной формой графита позволило значительно повысить эксплуатационные характеристики детали.
Высокие эксплуатационные характеристики чугуна с вермикуляронй формой графита обусловлены тем, что:
• чугун с вермикулярной формой графита обладает прочностью 300—500 МПа, ударной вязкостью более 30 Дж/см, относительным удлинением 2-5%, модулем упругости 75-155 кН/мм;
• по сравнению с чугуном с пластинчатой формой графита чугун с вермикулярной формой графита имеет меньшую склонность к окислению и росту, короблению при повышенных температурах;
• литейные свойства чугуна с вермикулярной формой графита (ЧВГ) сравнимы с литейными свойствами серого чугуна, для него характерна минимальная склонность к образованию сосредоточенных усадочных раковин;
• при обработке соответствующими модификаторами чувствительность микроструктуры к изменению толщины сечения отливки минимальна;
• теплопроводность ферритного ЧВГ и величина коэффициента теплового расширения соизмеримы с их величиной для серого чугуна;
требования к исходным материалам для получения ЧВГ аналогичны требованиям для чугуна с шаровидной формой графита (ЧШГ).
Основная причина выхода из строя при эксплуатации головок цилиндров — появление усталостных трещин под действием термоциклических нагрузок. В связи с этим особую значимость приобретают сравнительные исследования термоциклической стойкости различных чугунов.
Характер разрушения чугунов при термоцик-лировании зависит от формы, величины и распределения графита, неметаллических включений, литейных дефектов. Исследованию особенностей зарождения и развития микротрещин при термоциклировании в чугунах с различной формой графита посвящена работа [2]. Результаты исследований свидетельствуют о том, что в образцах из серого чугуна появление микротрещин обнаружено через 10—30 циклов нагрева—охлаждения, причем их распространение происходило от микротрещин в пластинках графита в матрицу в направлении к металлическим включениям и раковинам. Неметаллические включения, газовые раковины и усадочная пористость, включения графита в виде точек являются зародышами микротрещин, ускоряют их развитие независимо от типа графита и существенно снижают сопротивление разрушению при термической усталости. Точечный графит способствует образованию сложной разветвленной сетки микротрещин древовидного типа.
В высокопрочном чугуне сернистые включения магния и оксиды являются основными инициаторами разрушения, в их зонах трещины развиваются быстрее. При развитии разрушения микротрещины приобретают вид сетки, объединяющей сфероиды. Разрушение чугунов с шаровидным графитом ускоряется присутствием свободного цементита. Первые микротрещины появляются в крупных включениях цементита или на границе раздела цементита с перлитом. Отмечается, что отрицательное влияние свободного цементита (в количестве 10—30%) превосходит влияние вырожденных сфероидов или черных пятен.
Поведение при термической усталости чугунов с вермикулярным графитом сравнимо с поведением чугунов с шаровидным графитом. Микротрещины во включениях графита вермику-лярной формы появляются тем позднее, чем выше коэффициент их формы. При низком коэффициенте формы трещины образуются на концах включений (как в пластинчатом графите) и инициируют развитие трещин в матрицу с максимальной скоростью. Максимальная длина микротрещин для чугунов с пластинчатым, вермикулярным и шаровидным графитом подчиняется соотношению 5:3:1, а сопротивление термической усталости соответственно 1:1,25—1,4:1,6—1,8. По сравнению с чугунами с пластинчатым графитом
-^мБНТУ
чугуны с вермикулярным графитом имеют сопротивление термической усталости на 25—40% выше, а чугуны с шаровидным графитом -на 60-80% выше.
Сравнительные исследования кратковременной и длительной прочности при повышенных температурах, а также термостойкости различных чугунов приведены в работах [3, 4]. Изменение свойств чугунов с вермикулярным графитом подобно изменению свойств чугунов с шаровидным графитом с той лишь разницей, что абсолютная величина изменения слабее. Предел прочности чугунов ЧВГ и ЧШГ при увеличении температуры снижается, относительное удлинение растет. Значения предела прочности ЧВГ и ЧШГ медленно падают при увеличении температуры до 450 °С, затем разупрочнение ускоряется. При высоких температурах различие в прочности чугунов менее выражено. Значения предела выносливости немного снижаются при увеличении температуры до 300 °С, затем начинают увеличиваться, достигая максимальных значений при 600 °С.
С точки зрения обеспечения конструкционной жесткости деталей ферритные нелегированные чугуны с шаровидной и вермикулярной формами графита и серый легированный чугун с перлитной структурой практически равноценны. Большая толщина и закругленность графитовых пластин в ЧВГ уменьшают концентрацию внутренних напряжений по границам "графит—матрица", что обусловливает более высокие прочностные свойства, чем у серого чугуна, при одинаковой металлической основе. Высокие пластические свойства ЧШГ и ЧВГ позволяют при кратковременных механических нагрузках предохранить деталь от аварийного разрушения за счет пластической деформации. С повышением температуры длительная прочность перлитного чугуна с вермикулярной формой графита остается несколько выше, чем ферритного, хотя эта разница уменьшается за счет постепенного распада перлита. Применение легированного ЧВГ с перлитной структурой вместо нелегированного ферритного ЧВГ для деталей, работающих длительное время при повышенных температурах, ввиду его более высокой стоимости может оказаться нецелесообразным. По длительной прочности ЧВГ почти в 1,5 раза превосходит показатели серого чугуна, но несколько уступает чугуну с шаровидным графитом.
При исследовании влияния количества тепло-смен на возникновение и развитие трещин было установлено, что трещины быстрее зарождаются и распространяются в ЧВГ с перлитной металлической основой. В перлитном ЧШГ также наблюдается раннее появление трещин, но их рост вначале замедлен, а затем ускоряется, приводя к концу испытаний к наибольшей длине образовавшихся трещин. Позже возникают и медленнее распростра-
«б.БНТУ-
няются трещины в ферритном ЧВГ, что обусловлено как температурной стабильностью феррит-ной матрицы, так и высокой ее пластичностью. Серый чугун в этих условиях из-за более быстрого внутреннего окисления вдоль пластин графита менее стоек в сопротивлении к зарождению и развитию термоусталостных трещин.
С.Я.Ьорег, МЛ.ЬаИсЬ и др. [5] выявили существование зависимости между энергией динамического разрушения и температурой для чугунов с ВГ и И1Г с различным содержанием перлита, а также корреляцию между комплексным параметром, включающим сопротивление разрушению и твердость, и сопротивлением усталостному разрушению для ЧВГ, имеющих перлитную и ферритную структуру.
Установлено, что для ЧВГ с преимущественно ферритной структурой (20% перлита) предел усталости составляет 173 МПа, а относительный предел усталости — около 0,45. При перлитной структуре (97% перлита) эти величины составляют соответственно 194 МПа и 0,37. Можно отметить, что эти свойства близки к аналогичным показателям для высокопрочного чугуна [5].
Рост чугуна, который большей частью является результатом изменения стуктуры, может быть существенным фактором, влияющим на величину термических напряжений. В результате происходит снижение механических свойств чугуна и, как следствие, значительное сокращение срока службы детали.
Распад перлита приводит а увеличению размеров до 1,5% и значительно ускоряется с ростом температуры под воздействием динамических нагрузок. Наличие в структуре цементита необходимо исключить, так как теоретически 0,1% связанного в цементит углерода вызывает при распаде увеличение объема -0,18%.
Внутреннему окислению особенно подвержены серые чугуны, что связано с разветвленнос-тью структуры графитовых включений, по которым кислород проникает в чугун. Распад перлита в нелегированных ВЧ происходит уже при 450 °С, а при 500 °С ускоряется так резко, что после 500-700 ч большая часть перлита распадается. Перлитный высокопрочный чугун растет за счет распада перлита на 0,4-0,5%. Ферритный чугун практически ростоустойчив.
Устойчивость к внутреннему окислению ЧВГ почти такая же благоприятная, как и в чугуне с ШГ, так как частички графита не взаимосвязаны друг с другом.
Высокопрочный чугун вследствие своей высокой прочности и большой пластичности при комнатной теипературе хорошо противостоит тре-щинообразованию. Поведение высокопрочного чугуна зависит от вида температурных нагрузок. При большой скорости охлаждения из-за меньшей в сравнении с СЧ теплопроводности и
лггттггсг: готпштгта /до
-—- 4 (36). 2005 / Ч5Р
высокого модуля упругости возникают высокие напряжения растяжения на охлаждаемой поверхности. Эти растягивающие напряжения обычно так высоки, что, несмотря на высокую прочность и пластичность, приводят к быстрому возникновению трещин и термостойкость ВЧ оказывается меньше, чем у серого чугуна.
Специфические свойства чугуна с вермику-лярной формой графита в значительной степени способствуют его широкому распространению в качестве материала для изготовления блоков и головок цилиндров дизелей большой мощности. Фирма "International Track & Corp" является крупнейшим поставщиком отливок блоков и головок цилиндров из ферритного чугуна с вермикуляр-ной формой графита для дизельных моторов средней мощности. Примером широкого использования ЧВГ служит производство головок цилиндров для крупных морских дизельных двигателей внутреннего сгорания фирмами "Крупп — Мак", "Будерус" (ФРГ). Согласно данным фирмы SINTER CAST, использование ферритного чугуна с вермикулярной формой графита в качестве материала для головок и блоков цилиндров двигателей различных фирм-изготовителей автомобилей позволяет уменьшить вес двигателя на 2229% (для двигателей объемом 1,6-1,8 л), при этом удельная мощность двигателя увеличивается на 18-42%.
В Америке в течение 2003—2005 гг. практически все крупные автомобильные производители планируют поставить на серийное производство двигатели с блоками из ЧВГ. По прогнозам, к 2010 г. доля ЧВГ составит 50% объема производимых автомобильных двигателей [6].
Конфигурация головки блока цилиндров создает значительные трудности при ее изготовлении, резкие переходы от толстых сечений к тонким, значительно усложняет процесс получения годной отливки. Необходимо учесть, что в процессе изготовления возникают значительные внутренние напряжения из-за температурных перепадов, сопротивления формы и стержней усадки отливки, объемных фазовых превращений металла в различных частях отливки.
Перспективно использование чугуна с вермикулярной формой графита для изготовления выхлопных и впускных коллекторов, тормозных барабанов, корпусов турбокомпрессора и картера рулевого управления, крышек подшипников, дисков тормозов и т.д.
Для создания технологичных отливок необходима тесная связь между конструкторами, металлургами, литейщиками. Комплексное, оптимальное решение конструкторских и технологических задач в процессе подготовки производства оказывает решающее влияние на качество и эффективность технологического процесса изготовления отливок.
И ТГгПГ
/ 4 (36), 2005 -
Литература
1. Riposan T., Sofroni L., Chisamera Si. Comportement au choc thermique des fontes a différentes formes de graphite. Исследование чугунов с различной формой графита в условиях термоусталости // 48eme Congr. Int. Foaderie,Varna, 4-7 Oct., 1981. P. 17.
2. Nechtelberger E., Puhr H., Von Nesselrode J.B., Nakayasu A.S. Cast iron with Vennicuiar. Чугуне вермикулярным графитом // Compacted graphite — State of the Art. Development, Production, Properties, Applications. 49th Int. Foundry Congress, Chicago, 14-17 April, 1982. P. 17.
3. Dincscu L., Graciunescu C., Benescu G., Haltrich K., Bozocea E.S.I. Caractéristiques mechaniques a chaud des fontes a graphite vermiculaire. Механические свойства при высоких температурах чугунов с вермикулярным гра-
-Ш^БНТУ
фитом // 48eme Congr. Int. Fonderie, Varna, Bulgaria, 1981, 47 Oct., s.a. 17 p.
4. Андреев В.В., Ильичева JI.В., Платонов В.И. Длительная прочность и термостойкость чугуна с вермикулярным графитом //Литейное производство. 1984. №4.
5. Loper C.R., Lalich М.Т., Park Н.К., Gyarmaty F.M. Microstructure - mechanical property relationship in compacted (vermicular) graphite cast iron.Соотношение между микроструктурой и механическими свойствами для чугунов с компактным (вермикулярным) графитом // 46th International Foundry Congress, 1979. N. 35.
6. Nechtelberger E., Puhr H., Nesselrode LB., Nakayasu A. Cast Iron with vermicular/compacted graphite -State of the Art. Development, Production, Properties, Applications // 49th International Foundry Congress Chicago, 1982, April, P. 14-17.
