CC BY
10
УДК 621.74 - 477:669 13 Скребцов A.M., Дан Л.А., Василенко В.Г.
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТВЕРДОСТИ ЧУГУННЫХ КОЛЕЦ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИХ КРИСТАЛЛИЗУЮЩУЮСЯ ПРИБЫЛЬ
С распадом СССР и нарушением сложившихся экономических связей между регионами перед судоремонтными и судостроительными предприятиями Украины встала задача освоения выпуска поршневых колец. Особую сложность вызывает изготовление колец большого диаметра. Это объясняется тем, что заготовки колец диаметром более 500 мм (маслоты), отливаемые в стационарные песчаноглинистые формы, получают из перлитного серого чугуна, легированного Мо, У, ¡N11, - дефицитными и дорогостоящими элементами.
Из литературы известно, что при внешнем воздействии на кристаллизующийся расплав существенно измельчается структура затвердевшего металла и улучшаются его служебные свойства [I]. При этом необходимость в легировании частично или полностью отпадает.
Настоящая работа посвящена практическому использованию одного из предложенных недавно способов улучшения качества литого металла -введению в отливку или слиток расплавляемых холодильников [2].
Теоретические предпосылки способа приведены в работе [3], в которой систематизированы вопросы осадочной кристаллизации металла. Основная идея теории осадочной кристаллизациии или "дождя кристаллов" заключается в том, что в процессе затвердевания в поверхностных слоях расплава образуются изолированные кристаллы, которые, опускаясь на дно формы, образуют область мелкозернистой равноосной кристаллизации. Как показывают измерения, металл этой зоны имеет повышенную плотность и твердость.
Введение в форму отливки внутренних расплавляемых холодильников интенсифицирует процессы осадочной кристаллизации. Как результат этого явления - увеличивается объем металла в отливке с улучшенной структурой и свойствами.
Исследования проводили в литейном цехе Азовского судоремонтного завода. Отливали маслоты следующих размеров; наружный диаметр - 755 мм внутренний - 650 мм, высота - 400 мм. Масса одной отливки - 335 кг. Чугун соответствовал марке СЧ 25 по ГОСТ 1412-85 и содержал 3,2-3,4 % С; 1,4-2,2 % 0,7-1,0 % Мп; £! < 0,2 %; Р < 0,15 %, Изготовление форм производили по методу сырой формовки.
Металл плавили в коксовой вагранке, оборудованной 3 т копильником. По формам чугун разливали из 0,5 т поворотного ковша. С помощью ПП-термопары погружения контролировали температуру металла при разливке, которая составляла 1200-1210°С. После остывания выбитые из форм заготовки подвергали искусственному старению.
В получаемых цилиндрических заготовках часть металла сверху 1/2 общей высоты) выполняла роль прибыли по отношению к остальной части отливки. В верхнюю часть расплава прибыли устанавливали расплавляемые холодильники (см. рис.1). Холодильники изготавливали из стальной проволоки диаметром 6 мм. Масса рабочей части одного холодильника были 0,091 кг. Количество холодильников - 10. Их суммарная масса - 0,91 кг, т.е. 0,27 % от массы отливки.
Из маслот вытачивали противоизносные поршневые кольца (наружный диаметр - 739 мм, внутренний диаметр - 671 мм, высота - 11 мм). Противоизносные кольца устанавливают на поршне, они работают на истирание в паре со стальным цилиндром и испытывают значительные
удельные давления при высоких температурах. Поэтому к ним предъявляются требования повышенной твердости и прочности.
а)
б)
Рис. 1 Схема установки в форму маслоты (а) расплавляемого холодильника (6) х - места погружения холодильников в верхнюю часть расплава; в - погружаемый в расплав холодильник; д - проволочная опора холодильника на форме.
Кольца вырезали из нижней половины маслоты. От нижнего кольца от кольца, вырезанного из подприбыльной части маслоты, отбирали образцы для измерения твердости и металлографических исследований. Данные но твердости чугуна колец приведены в таблице. Для сравнения исследовали новое кольцо, изготовленное на Брянском машиностроительном заводе по ГОСТ 5 9277-77. Из таблицы видно, что твердость опытных колец ~ в 2 раза вьпле сравнительных и в ~ 1,5 раза больше изготовленных по ОСТу. Микроструктура тех же образцов металла показана на рис.2 а(б,в.
а)
б)
в)
Рис.2 Микроструктура чугуна опытных и сравнительных отливок:
травлено ^ НТ^О^ ; х 100; а- маслота без холодильника; б- маслота с холодильником; в- кольцо изготовленное по ОСТ 5.9277-77.
На рис.2 а слева показана микроструктура чугуна от кольца, вырезанного из нижней части маслоты, а справа - из прибыльной части, т.е. ~ на половине ее высоты. Из рисунка видно, что по объему чугуна графит в обоих случаях распределен равномерно. Относительная площадь графита на шлифе - 3-5 %. Длина графитовых включений нижнего кольца (слева) - 120-180мкм, а кольца подприбыльной части (справа) значительно больше - 200-250 мкм.что приводит к снижению твердости металла со 115 до 107 единиц НВ (см.табл.). В обоих случаях матрица металла перлитная. В структуре наблюдали равномерно распределенную фосфидную эвтектику со средним размером ячеек 50-75 мкм.
Таблица
Твердость чугунных образцов, единиц НВ
Наличие холодильника Место отбора образца Низ маслоты Подприбыльная часть
Нет 115 107
Есть 239 239
Кольцо, изготовленное по ОСТ 5.9277-77 150
На рис.2 б приведены аналогичные структуры двух колец нижнего (слева) и из подприбыльной части отливки (справа), отобранных от маслоты с холодильниками. Также как и в предыдущем случае, металлическая матрица перлитная, графит пластинчатый, прямолинейной формы, распределен равномерно. Относительная площадь шлифа, занятая графитом, 3-5 %. Длина графитовых включений, по сравнению с предыдущим случаем, значительно меньше, - слева она 60-120 мкм, а справа несколько больше, - 100-120 мкм. Фосфидная эвтектика распределена равномерно; размер ее ячеек 75-100 мкм.
Для сравнения на рис.2в показана микроструктура чугуна кольца, изготовленного по ОСТу. Как видно из рисунка, матрица чугуна - ферритно-перлитная. Феррит занимает - 10 % площади шлифа. Графит по объему металла распределен неравномерно. Размер графитовых включений 250-300мкм, т.е. значительно крупнее чем в предыдущем случае. Относительная площадь шлифа, занятая графитом, также больше. - 5-8 %. Фосфидная эвтектика имеет размер ячеек 50-75 мкм.
Библиографический список
1. Ефимов В.А., ЭльЛархапов А. С. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. - М,: Металлургия, 1995. - 272 с.
2. A.C. 2000872 СССР. MKI.1 5В 22 Д7/00, Способ отливки слитков/ Скрещов AM., Игнатов А.И., Дан Л.А. и др. - № 5015364/02; заявлено 04.12.9!, Опубл. 15.10.93, Бюл. № 37-38.
3. Скребцов A.M. Конвекция и кристаллизация металлического расплава в слитках и отливках. - М.: Металлургия, 1993. - 142 с.
