CC BY
9НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ И
ПРОИЗВОДСТВ В АПК И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 62-213: 620.192.46
О ПРИЧИНАХ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В КОРПУСНЫХ
ОТЛИВКАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Сайчук А.В., Рыбалко И.Н., Телятников В.В.
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко
Аннотация. Установлены основные причины
трещинообразования корпусных деталей из серого чугуна. Это формирование грубых включений графита и их розеточные включения; наличие больших скоплений оксидов; ликвация компонентов с формированием неметаллических включений, являющиеся концентраторами напряжений.
Ключевые слова: трещинообразование, поверхность, корпус, отливки, чугун
Введение. К наиболее ответственным деталям сельскохозяйственной техники, которые в значительной мере определяют её надёжность в эксплуатации, относятся - корпусные. В процессе использования техники они подвергаются различным нагрузкам (механическим, термоциклическим и вибрационным). Это приводит к трещинообразованию особенно при отклонениях в структуре материала, формируемой при их производстве [1-4]. Трещинообразование сопровождается потерей герметичности и аварийной утечкой топливо-смазочных материалов.
Материалы и методы исследования. Корпусные детали, как правило, изготавливают методом литья из серого чугуна марок СЧ15, СЧ18 или СЧ20. Толщина стенок изменяется в пределах 30-55мм. Основными требованиями, предъявляемым к их качеству, являются следующие: сВ=200-250МПа (в тонких сечениях сВ=270Мпа) и 223-248 ед. НВ.
Для обеспечения этих свойств различные производители корпусных отливок используют методы модифицирования, микролегирования чугуна и различные технологические приёмы литья,
в том числе, и способы подготовки литейной формы. Кроме того, для восстановления повреждённых зон отливок различные предприятия используют метод зачистки и заварки дефектов.
Для того, чтобы оценить влияние различных факторов на склонность отливок к повреждаемости, в первую очередь, надо определить причины, ответственные за склонность к трещинообразованию, а затем эффективно разрабатывать направления поиска путей повышения качества.
Целью работы являлось определение факторов, оказывающих влияние на склонность отливок к трещинообразованию.
Для реализации поставленной цели были проведены статистические сопоставительные исследования отливок с развитой повреждаемостью на их поверхности и без неё. Анализ проводили на шлифах, вырезанных с различных зон отливок металлографическим методом, а также с использованием электронной микроскопии.
Исследуемые отливки существенно отличались по структуре металла. Металлографическим анализом не травленных шлифов было установлено, что склонность к трещинообразованию возрастает при кристаллизации большой доли грубого пластинчатого графита. В меньшей мере склонны к поверхностному трещинообразованию отливки с равномерным распределением мелких (точечных и компактных) включений графита.
Результаты исследований. На рис. 1 приведена структура
чуг)
Рис. 1 Включения графита в исследуемых отливках, х100 а - с повышенной поверхностной склонностью к трещинообразованию, б- с пониженной
а
б
На первом этапе сопоставительные исследования проводили в зоне, прилегающей к поверхности, где трещинообразование фиксировали визуально.
Не характерным для исследуемых отливок является факт кристаллизации выявленной одинаковой формы и количества графита у поверхности и середины (по всему сечению толщиной 30мм).
Травление шлифов 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте выявило неравномерное распределение фазового состава сплавов (рис. 2). Четко выявляются границы эвтектических зерен, которые состоят из ферритной составляющей и графитовых
ЗООмкт 1 Электронное изображение 1
Спектр В стат. C O Si P S & Mn Fe Итог
Спектр 1 Да 13.14 34.40 0.97 0.20 0.39 50.90 100.00
Спектр 2 Да 8.43 4.57 1.95 0.55 84.50 100.00
Спектр 3 Да 7.43 1.47 0.17 0.18 0.99 89.76 100.00
Рис. 2 Микроструктура поверхностного слоя отливки, склонной к трещинообразованию
Существенное влияние на склонность к трещинообразованию может оказывать ликвация компонентов. Методом микрорентгеноспектрального анализа границ эвтектических зерен установлено, что доля в них углерода наиболее низкая и составляет 7,43-8,43% (за счёт выделения графита). Такая концентрация углерода характерна для феррита двух исследуемых групп корпусных деталей в зоне близкой к поверхности. К центру отливок (сечение на глубине
15мм) доля углерода в феррите ниже и соответствует 6,95% (рис. 3).
Независимо от типа структурных составляющих (феррит, перлит) у поверхности отливок концентрация кремния сравниваемых отливок довольно близкая и составляет 1,38-1,61%. В центральной зоне в отливке, склонной к поверхностному трещинообразованию выявлена значительная его ликвация (0,27-2,08%, см. рис. 3).
г ' г «Г '
V Л'
^Н ¿г I
иэзпв
Спектр С О 81 А1 8 Сг С1 К Мп Бе Ыа мв Са
Спектр 1 80.08 5.34 0.27 14.31
Спектр 2 36.90 13.78 1.16 0.29 0.16 0.09 0.11 0.10 0.39 46.52 0.21 0.18 0.12
Спектр 3 7.18 1.73 0.82 90.27
Спектр 4 9.80 2.08 0.62 87.50
Рис. 3 Микроструктура середины отливки без поверхностных трещин
По границам эвтектических зерен у поверхности исследуемых отливок отмечается формирование фосфидной эвтектики. Концентрация фосфора в этих зонах достигает 0,74%. В центральной части отливок этот компонент отсутствует или его доля не превышает 0,08%. В отдельных зонах отливок, склонных к трещинообразованию, его концентрация достигает 0,53%, что также свидетельствует о выделении фосфидной эвтектики.
Наибольшая доля ферритной составляющей находится в области розеточных включений графита и это характерно только для поверхностного слоя отливок. Такой феррит отличается более тёмным цветом, что связано с его насыщенностью кислородом (13,98-34,4%). Перлитная структурная составляющая практически не окисляется в центральной зоне отливок, а наблюдаемая повышенная концентрация этого компонента характерна для зон с грубыми включениями
графита, в которые проникает окислительная атмосфера, способствующая зарождению и развитию трещин. В процессе повреждаемости берега трещин окисляются и по их расположению и протяженности можно судить о степени дефектности отливок в центральной её части (рис. 4). Для этого следует воспользоваться методом неразрушающего контроля качества [5], поскольку важно не только выявить поверхностные трещины, но и исключить их формирование в других зонах отливки, чтобы предотвратить аварийные ситуации при эксплуатации техники.
Спектр С 0 81 Р 8 Сг V N Мп Бе мв А1
Спектр 1 23.78 1.00 1.39 0.18 0.84 72.81
Спектр 2 6.95 2.09 0.08 0.09 0.05 0.61 90.14
Спектр 3 73.92 8.44 0.33 0.11 0.09 5.16 0.08 11.68 0.05 0.13
Спектр 4 93.94 3.83 0.07 0.04 2.13
Рис. 4 Микроструктура середины отливки с поверхностными трещинами
Выявлена существенная неоднородность и в распределении серы. Независимо от анализируемых зон и исследуемых отливок её концентрация изменяется в пределах от 0 до 0,49%. Причем, в случаях повышенной концентрации серы от 0,27 до 0,49%, имеет место и увеличение - марганца от 0,83 до 2,6%. Это свидетельствует о формировании включений М^.
В отливках менее склонных к поверхностному трещинообразованию дополнительно выявлены в локальных областях средней зоны следующие компоненты %: 0,29 А1; 0,18 Mg; 0,11 С1; 0,10 К; 0,21 0,12 Са (см. рис. 3). Можно предложить, что металл
этих отливок модифицировали, введением комплексного модификатора, который неравномерно растворился при обработке жидкого металла.
В таких отливках у поверхности выявлена и добавка карбидообразующего компонента - ванадия. Доля его изменяется в локальных зонах от 0,04-0,48% (рис. 5). При максимальной концентрации этого компонента (0,48%) возможно образование спецкарбидов VC, т.е. вклад его проявляется не только в измельчении зерна.
Металл отливок с увеличенной склонностью к поверхностному трещинообразованию модифицирован и микролегирован компонентами Т^ V и N. Они также распределены неравномерно, т.к. выявлены только в средней части сечения отливки толщиной 30мм. Средняя концентрация V и Т составляет 0,05-0,07%. В одной из зон доля азота достигает 5,16%. Можно предположить, что это крупное нитридсодержащее включение (см. рис. 4).
V■ к г$I- >■''■■■■■- ■"" л®
■пчярвва
I л шааш
к /л —ЦТ^Т
:: V 'Ч "Й* V:- - «К гй*
Спектр С О 81 Р 8 Сг V И Мп Бе
Спектр 1 13.78 2.83 1.50 0.07 0.50 0.08 0.04 0.06 1.25 79.89
Спектр 2 16.95 8.65 1.38 0.03 0.05 0.08 0.07 0.02 0.56 72.22
Спектр 3 18.63 1.35 1.61 0.01 0.19 0.06 0.07 0.01 0.83 77.23
Спектр 4 8.91 1.12 1.39 0.74 0.04 0.13 0.32 0.21 1.04 86.10
Спектр 5 21.52 1.43 0.03 1.07 0.06 0.07 2.15 73.67
Спектр 6 8.94 1.07 1.43 0.74 0.61 0.13 0.48 0.40 1.74 84.47
Рис. 5 Граница эвтектических зерен (ферритная составляющая) Статический анализ различных зон отливок с повышенной склонностью к трещинообразованию на их поверхности выявил наличие большого количества включений оксидов железа, кремния и сложных - типа (МпРе)О, М^Ю3, Мп2БЮ4, размером до 1-2мкм. Максимальное их скопление характерно для зон с розеточными
включениями графита. В этих местах отмечается и интенсивное окисление ферритной составляющей. Это проявляется в повышенной травимости с концентрацией кислорода до 34%. Включения окислов имеют неправильную компактную форму. По мере удаления от поверхности размер таких включений уменьшается и не превышает 0,5-0,7мкм (рис. 6).
Рис. 6 Окислы алюминия ^^^ и кремния (Si2O3). Термоэлектронная эмиссия
Поверхностное окисление металла отливок связано с плохой подготовкой литейной формы, её повышенной влажностью. При этом пластинчатый графит, особенно грубые включения, обеспечивают доставку активно-коррозионной среды и в другие зоны отливок.
Анализом показано, что отливки мало склонные к поверхностному окислению имеют в центральной части сечения повышенную долю кислорода, причем даже в большей мере, чем в корпусных деталях с поверхностными трещинами (табл. 1). По всей поверхности, в анализ не попала магистральная трещина, доставляющая активно-коррозионную среду в центральную зону отливки.
Уменьшить склонность отливок к трещинообразованию возможно осуществлением контроля на соответствие технологических процессов нормативно-технической документации по подготовке литейной оснастки и способа модифицирования жидкого расплава.
Таблица 1 - Статический анализ распределения кислорода в исследуемых отливках_
Локальное распределение кисло рода в зонах, %
с поверхностными без поверхностных
число случаев трещинами трещин
поверхность середина поверхность середина
1 3,41 1,0 1,17 0,91
2 3,44 8,44 0 2,96
3 4,57 3,83 1,12 13,98
4 1,81 1,17 1,35 2,65
5 1,35 1,17 8,65 4,54
6 0 0 2,83 0
7 0 1,07 0
8 0 13,78
9 0 5,34
10 0
средняя концентрация 4,5 2,6 2,31 4,01
кислорода
Выводы. В результате выполненных комплексных исследованиях установлено, что основными причинами трещинообразования корпусных деталей из серого чугуна являются: формирование грубых включений графита и их розеточные включения; наличие больших скоплений оксидов; ликвация компонентов с формированием неметаллических включений, являющиеся концентраторами напряжений.
Для снижения склонности отливок к трещинообразованию необходимо четко соблюдать технологический регламент литья и подготовки формы, осуществлять качественный процесс модифицирования жидкого металла, исключающего формирование грубого графита и его розеток, а также ликвации химических компонентов, в том числе, и входящих в состав модификатора.
Список использованных источников:
1. Скобло Т. С., Сидашенко А. И., Сайчук А. В., Манило В. Л., Романюк С. П. Оценка качества отливок из серого чугуна методами неразрушающего контроля. Литейное производство. - Москва, 2014. -
№12. - С. 2-4.
2. Сидашенко А. И., Скобло Т. С., Сайчук А. В., Рыбалко И. Н., Манило В. Л. Изготовление и обработка корпусных деталей из чугуна. Вкник ХНТУСГ iM. П. Василенка «Ресурсозберiгаючi технологи, матерiали та обладнання у ремонтному виробницга». - Харьков, 2015. - Вып. 158. - С. 126-133.
3. Захаров Ю. А., Рылякин Е. Г., Лахно А. В. Анализ способов восстановления посадочных отверстий корпусных деталей машин. Молодой ученый. - 2014. - № 16. - С. 68-71.
4. Захаров Ю. А., Рылякин Е. Г., Семов И. Н. и др. Обеспечение работы мобильных машин в условиях отрицательных температур. Молодой ученый. - 2014. - № 17. - С. 56-58.
5. Способ оценки качества изделий неразрушающим методом: пат. 95287 Украина. № а 2014 06020; заявл. 02.06.2014; опубл. 25.12.2014, Бюл. №24. 5 с.
Тамара Семеновна Скобло, доктор технических наук, профессор, Александр Иванович Сидашенко, кандидат технических наук, профессор, Александр Васильевич Сайчук, кандидат технических наук, доцент, Иван Николаевич Рыбалко, кандидат технических наук,
ассистент, Владимир Владимирович Телятников, аспирант, kafrm@yandex. ru, Украина, Харьков, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра
Василенко
ON THE CAUSES OF CRACK FORMATION IN THE HOUSING CASTING AGRICULTURAL MACHINES
Skoblo T.S., Sidashenko A.I., Saychuk A.V., Rybalko I.N., Telyatnikov V. V.
Sets the basic causes of cracking case details made of grey iron. This formation of coarse graphite and rosette inclusion; the presence of large concentrations of oxides; liquation of components with formation non-metallic inclusions are stress concentrators.
Key words: formation of cracks, surface, housing, casting iron
Skoblo T.S., Professor, Doctor of Technical Science, , Sidashenko A.I., Professor, Candidate of Technical Science, Saychuk A.V., Associate Professor, Candidate of Technical Science, Rybalko I.N., Assistant, Candidate of Technical Science, Telyatnikov V.V. graduate student, kafrm@yandex. ru, Ukraine, Kharkov, Kharkov Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture
