Создание базовой технологии получения низкосерийного и высокосерийного чугунов одной плавки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.745

Ю.А. Зиновьев1, А.А. Колпаков2, С.В. Кузнецов1, В.Д. Швецов1, Г.И. Белявский1

СОЗДАНИЕ БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОСЕРНИСТОГО И ВЫСОКОСЕРНИСТОГО ЧУГУНОВ ОДНОЙ ПЛАВКИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1,

ОАО «ГАЗ»2

Приведен обзор технологий получения литых распределительных валов и предложен новый способ получения с целью повышения его износостойкости введением новых добавок кальция с серой. Одновременно была решена проблема базовой плавки в одной печи низкосернистого чугуна для коленвалов и высокосернистого для распредвалов путем совместного введения серосоержащих веществ вместе с ферромарганцем в ковш.

Ключевые слова: отливка, отбеленный чугун, распредвал, модификаторы, добавки.

Задачи повышения эффективности автомобильной техники, увеличения ее долговечности, снижения металлоемкости не могут быть решены без непрерывного совершенствования техники и технологии литейного производства. Поэтому в программах развития и технического перевооружения литейного производства, отражающих наметившиеся в мировом автомобилестроении тенденции, предусматривается совершенствование структуры потребления литых заготовок из высококачественного чугуна с применением прогрессивных технологических процессов, оборудования и средств автоматизации.

Одной из деталей распределительного механизма современного автомобильного двигателя, от которой в значительной степени зависит надежность и долговечность работы самого двигателя, является распределительный вал. Изнашивание деталей газораспределительной системы связано с протеканием сложных механических и теплофизических процессов, включающих трение при высоких удельных нагрузках в условиях граничной смазки и наличие некоторого количества абразивных частиц в сопряжениях трущихся поверхностей. Именно в таких условиях контактных нагрузок и высоких скоростей относительного перемещения пар трения поверхностей кулачков и толкателей работает распределительный вал.

Современные тенденции развития производства высокооборотных автомобильных двигателей повышенной мощности выявили необходимость борьбы с преждевременным износом распределительных валов.

Возможность замены стали как материала распредвалов на чугун продолжала оставаться в поле зрения автомобилестроителей. Повышенный интерес к чугуну в последние годы вызван тем, что в условиях массового производства автомобильных двигателей, наряду со значительной износостойкостью, распределительные валы должны быть не только технологичными, но и экономически выгодными [1]. Чугун наиболее полно удовлетворяет этим требованиям.

Служебные характеристики литых деталей из отбеленных чугунов в сочетании с заданной твердостью рабочих поверхностей позволяют достичь в распределительных валах износостойкости, превышающей этот показатель в аналогичных стальных заготовках, что открывает большие возможности по экономии стального проката, снижению трудоемкости механической обработки за счет получения отливок уменьшенной массы и близких по конфигурации к готовой детали.

Стальные распределительные валы по эксплуатационным и технологическим показателям уступают современным чугунным валам (особенно при использовании их в высокооборотных двигателях). Дело в том, что вследствие меньшего модуля упругости чугуна в сравнении со сталью его применение способствует значительному снижению контактных напряжений. В чугуне можно осуществлять регулирование содержания карбидов, которые

© Зиновьев Ю.А., Колпаков А.А., Кузнецов С.В., Швецов В.Д., Белявский Г.И., 2013.

резко повышают износостойкость, являющуюся одним из важнейших показателей материала распределительных валов и пропорциональную, как известно, поверхностной твердости. Применение отбеленных чугунов позволяет получать необходимую твердость не менее 49 HRC. Достаточно хорошая теплопроводность чугуна снижает температурные напряжения в валах.

В то же время в большинстве случаев распределительный вал слабо нагружен, поэтому требования к прочности материала минимальны (ов < 250 МПа). В таких условиях применение чугуна, способного уменьшать динамические знакопеременные нагрузки и колебания, наиболее выгодно.

Максимальная износостойкость обеспечивается за счет создания на трущихся поверхностях отбеленного слоя. Достигается это применением целого ряда технологических приемов, таких как установка в литейную форму индивидуальных холодильников, изготовление биметаллических деталей (толкателей, рычагов, клапанов), рабочая поверхность которых выполнена наплавкой белого чугуна или применением вставок из такого чугуна.

В последнее время разработан еще один метод упрочнения кулачков чугунных распределительных валов и рычагов клапанов путем оплавления поверхностного слоя (толщиной около 1 мм) при помощи точечного источника энергии.

Получение высококачественной отбеленной зоны кулачка, стабильной по расположению, может быть достигнуто в результате использования различных способов литья. При этом требуется организация специализированных смежных участков по всему циклу производства, в том числе для изготовления точных металлических холодильников, предназначенных для формирования качественного отбеленного слоя.

В тенденциях развития производства чугунных распределительных валов за рубежом просматриваются следующие основные направления: получение отливок с однородной структурой и последующей поверхностной закалкой кулачков и эксцентриков ТВЧ или поверхностным точечным оплавлением, а также получение отливок с уже отбеленным, поверхностным слоем кулачков и эксцентриков, имеющим высокую твердость и износостойкость.

Как правило, распределительные валы из серого чугуна отливают в сырых песчано-глинистых либо в песчано-смоляных оболочковых формах. При этом заданная твердость кулачков достигается поверхностным (пламенным или индукционным) нагревом до 800-840°С с последующей закалкой на мартенсит либо за счет установки в форму холодильников. В последние годы фирма Ford Motor Co's Caeting Division (США) и её канадские отделения производят отливки распредвалов методом литья по газифицируемым моделям [2].

Фирмой AEG-Elotherm (ФРГ) были внедрены в производство первые промышленные установки для получения отбеленных отливок распределительных валов, способом, суть которого сводится к тому, что поверхность литой заготовки оплавляется в атмосфере инертного газа с помощью электрической дуги между вольфрамовым электродом и заготовкой. При последующем естественном охлаждении расплава вследствие за-холаживающего действия массы отливки образуется ледебуритная структура с твердостью до 56 HRC. Способ выигрывает в сравнении с индукционной закалкой в части прочностных возможностей валов, но достигаемая с его помощью небольшая глубина упрочненного слоя чревата опасностью образования в нем газовых раковин, пор, микротрещин, что значительно снижает его преимущества [1, 3].

Хотя получение отбеленных отливок при помощи индивидуальных холодильников представляет собой трудоемкий процесс, включающий изготовление, подготовку и сборку в литейной форме большого количества холодильников, этот метод нашёл сейчас наибольшее применение в практической деятельности ряда фирм для различных марок серых чугунов.

Процесс получения распределительных валов, отбеленных при помощи холодильников, не только обеспечивает высокую износостойкость, но и позволяет расширить пределы химиче-

ского состава чугуна, ликвидировать недостатки, присущие подвергаемым закалке деталям (необходимость рихтовки, образование трещин, отслоение закаленного слоя и т.д.) [4, 5].

Английские и японские производители придерживаются одного мнения в оценке эффективности использования отбеленных чугунов при получении распредвалов автомобильных двигателей. При высоких скоростях охлаждения (от холодильника) наружный слой отливки имеет структуру белого чугуна, в котором углерод находится в связанном состоянии, в виде карбидов, сердцевина - серый чугун, a переходный слой представляет собой структуру чугуна половинчатого. Карбидообразующие элементы Сг и Мп способствуют стабилизации карбидов, измельчению перлита, увеличению прочности, твердости, износостойкости материала. В развитых странах подавляющее число распредвалов автомобильных двигателей изготавливают из отбеленного чугуна.

Результаты активных многофакторных исследований влияния химического состава металла на качество распредвалов и практический опыт в этой области подвели специалистов-литейщиков к мысли о том, что наиболее рациональным материалом для литых заготовок рассматриваемой детали является серый чугун с заданным содержанием компонентов. Так, по мнению польских специалистов, чугунный распредвал, отлитый в песчаной форме с холодильниками соответствующей толщины (5-20 мм), не нуждается в индукционной закалке, если химический состав серого чугуна соответствует следующему соотношению элемента, %: С 3,1-3,5; Мп 0,5-0,8; ^ 1,8-2,2; Сг 0,7-0,9; № 0,15-0,3; Си 0,3-0,7; S < 0,15; Р < 0,2 [6].

Для распределительных валов, требующих более высокого сопротивления точечной коррозии и истиранию, фирма Riken Со (Япония) использует отбеленный чугун марки RIK-C3 несколько иного химического состава (вес, %): С 3-3,8; Si 1,6-2,8; Мп 0,5-1,0; Р < 0,3; S < 0,15; Сг 0,1-1,0; № 0,2-1,0; Mo < 0,5. Поверхностная твердость на носике кулачка достигает 47 НКС [7]. При этом следует отметить, что в литейных цехах фирмы распределительные валы получают в разовых песчаных формах на автоматических линиях. Одним из предлагаемых способов изготовления подобных литых заготовок является литье в оболочковые формы [7,8], где оболочку в опоке располагают горизонтально. С целью повышения эффективности отбеливания кулачков в форме устанавливают холодильники, при этом глубина отбела достигает 3,5-4,0 мм. Рекомендуемая температура заливки 1280-1370°С [8].

Фирма Рено (Франция) распределительные валы отливает из чугуна с искусственным отбелом холодильниками, химический состав чугуна, %: С 3,3- 3,4; Мп 0,8-1,0; Si 1,5-1,8; Р < 0,05; S < 0,05; Мо 0,15-0,2. При этом глубина отбела - 5 мм, припуск на обработку -2 мм, твёрдость отбелённого слоя 48-50 HRC.

Фирма Вольво (Швеция) изготавливает распределительные валы с закалкой кулачков. Чугун содержит Мо до 0,5%, № до 0,5%, Сг до 1%.

В России распредвалы отливаются с отбеливанием холодильниками кулачков (ОАО «ГАЗ»), точечным оплавлением носиков кулачков (ОАО «ВАЗ») и отбеливанием кулачков в кокилях [9].

По данным российских исследователей оптимальным химсоставом является, %: С 3,5-3,6; Мп 0,75-0,95; Si 1,9-2,2; Р < 0,2; S 0,1-0,15; Сг 0,2-0,3. При этом твёрдость отбелённого слоя достигает 52-53 HRC, а глубина 9,5-14 мм [9].

Исследователь [10] рекомендует для повышения износостойкости литых отбелённых изделий вводить хром, который стабилизирует карбидную фазу, увеличивает твёрдость и износостойкость отбеленного слоя, а также марганец, активно подавляющий перлитное превращение аустенита железоуглеродистых сплавов.

Установлено, что, несмотря на наличие нескольких новых технологий, применяемых в настоящее время при производстве износостойких распределительных валов (комбинированные валы с кулачками из металлокерамики, либо наплавка на кулачки износостойкого сплава), валы с отбеленными кулачками остаются вне конкуренции. Подобная оценка

вытекает из сравнительных данных таких параметров, как износостойкость, технология производства и экономическая целесообразность.

Для повышения твердости и глубины отбелённого слоя увеличивали количество кар-бидообразующих элементов, например, при введении теллура увеличивалась не только глубина и твердость отбелённого слоя на кулачках, но и происходил отбел на других элементах вала. При введении большого количества хрома, увеличивалась не только глубина и твердость отбелённого слоя на кулачках, но и увеличивалось количество усадочных дефектов (утяжин) между опорными шейками и стержнем вала. Уменьшение количества хрома исключало усадочные дефекты в элементах вала, но и уменьшало глубину и твердость отбелённого слоя носиков кулачков. Решением этого противоречия было введение комплексной добавки, содержащей кальций и серу [11]. Сера стабилизировала глубину и твёрдость отбелённого слоя при оптимальном содержании хрома и марганца в чугуне, кальций графитизировал металл в стержне вала.

Отбел на кулачках стал получаться чётким, с высокой твёрдостью, достаточной глубиной отбела и без включений точечного графита, но без цементита в стержне вала и усадочных дефектов в элементах вала. Твердость кулачков выровнялась [11].

Анализ зарубежной и отечественной практики изготовления литых распределительных валов позволяет сделать следующие выводы:

1. Литые распределительные валы из чугуна превосходят штампованные стальные заготовки по эксплуатационным, технологическим и технико-экономическим показателям, что приводит к получению большого экономического эффекта.

2. Из всех способов получения литых чугунных распредвалов, максимальный технико-экономический эффект обеспечивают чугунные распределительные валы, получаемые с от-белом кулачков с помощью холодильников в литье.

3. Ввод комплексной добавки с кальцием и серой дал возможность стабилизировать технологию распредвалов в массовом производстве по глубине отбела и твёрдости кулачков и исключил усадочные дефекты, а также цементит в стержне вала.

В дальнейшей работе возникла проблема плавки чугуна в одной печи не только высокосернистого для распредвалов, но и низкосернистого для коленвалов. Поэтому задачей последующей работы было исключение ввода серосодержащего вещества в шихту печи, так как металл в печи стал базовым для получения низкосернистого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для коленвалов, а серосодержащее вещество надо было вводить в ковш.

Известен способ получения отливок автомобильных распредвалов [12]. Недостатком данного способа является недостаточная глубина отбела на носиках кулачков и наличие цементита в опорных шейках. Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения отбеленных износостойких отливок [13]. Недостаток данного способа - низкая эффективность его применения при вводе гипса в ковш.

Задачей данной работы было исследование эффективности различных способов ввода серосодержащих веществ в ковш.

На АОО «ГАЗ» в условиях литейного цеха были проведены опытные сравнительные плавки получения распредвалов известным и предложенным способами. Чугун выплавляли в дуговой печи с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали чушковые передельные чугуны, возврат чугуна СЧ21, отходы стали, ферросилиций, ферромарганец, феррохром и коксик.

Металл перегревали в печи до 1520оС, выливали в передаточный ковш, а из него - в три заливочных ковша. Заливка форм распредвалов велась при 1360-1420оС тремя вариантами: 1-й вариант - с добавкой гипса в печь; 2-й вариант - с добавкой гипса в ковш и 3-й вариант - с добавкой гипса вместе с ферромарганцем в ковш.

Таблица 1

Способ получения отливок Вариант № Химанализ, % Увеличение серы, % Количество гипса, % Совместно, в ковш: (гипс+FeMn70),%

С Мп Сг Р 8 В печь В ковш

исходный 3,81 1,75 1,02 0,32 0,075 0,012 - - - -

Известный 1 3,80 1,76 1,03 0,31 0,075 0,02 170 0,08 - -

2 3,81 1,79 1,02 0,30 0,074 0,022 180 0,1 - -

3 3,78 1,76 1,03 0,30 0,074 0,052 430 0,4 - -

4 3,76 1,78 1,02 0,29 0,073 0,072 600 0,6 - -

5 3,74 1,80 1,04 0,29 0,072 0,096 800 0,8 - -

6 3,72 1,87 1,05 0,28 0,068 0,102 900 0,9 - -

1 3,80 1,78 1,02 0,32 0,075 0,015 125 - 0,08 -

2 3,81 1,79 1,03 0,31 0,074 0,019 150 - 0,1 -

3 3,79 1,79 1,02 0,30 0,074 0,028 230 - 0,4 -

4 3,78 1,80 1,02 0,29 0,073 0,042 350 - 0,6 -

5 3,77 1,81 1,01 0,28 0,073 0,056 470 - 0,8 -

6 3,76 1,89 1,00 0,28 0,072 0,070 580 - 0,9 -

Предлагаемый исходный 3,82 1,77 0,30 0,32 0,074 0,013 - - - -

1 3,81 1,78 1,21 0,33 0,073 0,018 150 - - 0,08+3,0

2 3,80 1,79 1,18 0,32 0,074 0,021 175 - - 0,1+3,0

3 3,79 1,80 1,17 0,29 0,073 0,044 370 - - 0,4+3,0

4 3,78 1,81 1,18 0,28 0,072 0,066 550 - - 0,6+3,0

5 3,78 1,83 1,19 0,28 0,073 0,088 730 - - 0,8+3,0

6 3,77 1,81 1,20 0,28 0,074 0,100 800 - - 0,9+3,0

1

8

о-

ТО

^

3

О

^

о

*

О

^

О

^

О

,о

-О

3

о

а

то

я

я

О

^

О

ТО

X

я

8

Л

ТО

о

*

О

^

О

я

8

а

ТО 3

о

8

3

ТО

3

О

1

N

N

ТО

*

о

ТО

ТО

а

О

&

о

Таблица 2

Способ получения отливок Вариант № Твердость кулачков, HRC Величина отбела на кулачках, мм Твердость опорной шейки, НВ 5/750/10 Микроструктура опорной шейки

Известный способ 1 46 6,8 179 ПГф1,2-ПГд45 -90-ПГр1,2-ПГ10-П85(Ф15

2 49,7 7,8 190 ПГф1,2-ПГд45 -90-ПГр1,2-ПГ10-П96(Ф4)

3 49 8,6 197 ПГф1,2-ПГд45 -ПГр1 -ПГ10-П96(Ф4)

4 52 8,9 217 ПГф1,2-ПГд45 -ПГр1 -ПГ10-П(Ф0)

5 53 9,2 229 ПГф1,2-ПГд45 -ПГр1,2-ПГ10-П(Ф0)

6 58 11 260 ПГф1,2-ПГд45 -ПГр1,2-ПГ10-П(Ф0) Ц6-Цп2000

Предлагаемый способ 1 47 7,0 187 ПГф1 -ПГд45 -ПГр1,2-ПГ10-П96(Ф4)

2 49 8,4 220 ПГф1 -ПГд45 -ПГр1 -ПГ10-П(Ф0)

3 51 8,8 229 ПГф1,2-ПГд45-90-ПГр1 -ПГ10-П(Ф0)

4 53 9,2 235 ПГф1 -ПГд45 -ПГр1 -ПГ10-П(Ф0)

5 55 9,4 240 ПГф1 -ПГд45 -ПГр1 -ПГ10-П(Ф0)

6 60 12 260 ПГф1 -ПГд25 -ПГр1,2-ПГ10-П(Ф0) Ц4-Цп2000

Технические условия >49 ЖС -3мм > 7,8 мм 190-255 Феррита до 8%., цементит не допускается

к а г

I

г §

к л к

а $

к

^

а ц

ё

'М

9

В табл. 1 приведены химсоставы распредвалов с различным количеством введенных добавок гипса. В табл. 2 даны твердости кулачков, величины чистого отбела на кулачках, твердости опорных шеек и их микроструктура в зависимости от разного способа введенного в чугун гипса. Серосодержащее вещество - гипс - попробовали ввести в ковш. Усвоение серы было небольшим (табл. 1, 230-470%) по сравнению с вводом в печь (400-800%). При совместном вводе в ковш гипса и ферромарганца усвоение серы увеличилось и стало 370-730%. В табл. 2 приведены механические свойства и структура - твердость и величина отбела кулачков выше у предлагаемого способа, чем у известного, что повышает износостойкость кулачков распредвала по новому способу. В структуре опорной шейки известного способа имеется цементит. В опорной шейке предлагаемого способа цементита и феррита нет. Структура стабильно-перлитная и твердость выше, что улучшает и их износостойкость. Как видно из табл. 1 и 2, совместный ввод гипса и ферромарганца в ковш дает максимальный положительный эффект: увеличение усвоения серы в ковше (варианты 2-5, табл. 1 предлагаемого способа), увеличение отбеленного слоя со стороны холодильников (варианты 2-5, табл. 2 предлагаемого способа) и исключение «отбела» в центральной части отливки распредвала.

Поскольку усвоение серы в известном способе, в ковше, ниже, чем в печи (как видно из табл. 1), вариант ввода одного гипса в ковш в табл. 2 уже не рассматривается.

Ввод 0,08 % гипса с ферромарганцем в ковш (вариант 1 предлагаемого способа) дает недостаточную величину отбела на носиках кулачков распредвала. Начиная с 0,1% до 0,8% гипса, введенного с ферромарганцем в ковш, получается стабильно нормированная величина отбела на носиках кулачков и полностью отсутствует цементит в опорных шейках (варианты 2-5).

Ввод 0,9% гипса с ферромарганцем в ковш является уже излишним, так как приводит к появлению цементита в опорных шейках и завышенной их твердости (табл. 2, вариант б). Таким образом, ввод 0,1-0,8% гипса вместе с ферромарганцем в ковш дает самый оптимальный положительный эффект, увеличение твердости и глубины отбеленного слоя со стороны холодильника (и исключение отбела в центральной части элементов отливки), что повысило износостойкость распредвала.

Таким образом, был разработан и внедрен новый технологический процесс плавки в одной плавильной печи: низкосернистого для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для коленвалов и высокосернистого серого чугуна для распредвалов повышенной износостойкости [14].

Библиографический список

1. Крючков, О.Н. Износостойкость литых деталей газораспределительного механизма автомобильных двигателей / О.Н. Крючков, M.M. Левитан // Автомобильная промышленность, 198б. №1. С. 3-11.

2. Martha, К. Siebel. Evaporative pattern casting. The process and its potential // Modern Casting, 1986. №1. P. 31.

3. Чуркин, B.C. Управление технологическими факторами с целью получения отливок с регламентированной структурой на примере производства износостойких автомобильных валов в облицованных кокилях // Автореферат диссертации канд. техн. наук 05.1б.04. - M., 1982.

С.22-23.

4. Clark, R. Widening scope for iron casting // Metal Bull. Mon., 198б, № 182. P. 85-88.

5. Литейное производство в автомобильной промышленности Японии // Автомобильная промышленность, 1984. №б. С. 37-38.

6. Заявка №251177, ПОТ, MКИ В 22 С, С 22 С. Способ изготовления распределительных валов двигателей внутреннего сгорания из серого чугуна // Изобретения за рубежом. Опубликовано 86.07.01. №13.

7. Заявка 58-112б51, Япония, В 22 Д 25/02, В 22 Д 18/0б. Литьё в оболочковые формы распределительных валов / Mаэсава Сэй [et al.]. №5б-209289. Заявл. 25.12.81, Опубл. 05.07.83.

8. Платонов, Б.П. Литые распределительные валы автомобильных двигателей / Б.П. Платонов, А.А. Колпаков // Труды НГТУ, 1997. С. 56-59.

9. Матвеева, М.О. Разработка чугунов с повышенными эксплуатационными свойствами // Литейное производство. 2007. №9, С. 2-5.

10.А. с. №1206328. Присадка для легирования сплавов кальцием и серой / Зиновьев Ю.А. [и др.]. С22С35/00. Бюл. №3. 1986.

11.А.с. 980955, М.Кл.2В22Д27/04. Способ получения отливок автомобильных распределительных валов / Б.П. Платонов, А.А. Колпаков. Бюл. № 17. 1989.

12.Пат. №2254207. Способ получения отбелённых износостойких отливок / Зиновьев Ю.А. [и др.]. Бюл. № 17. 2005.

Дата поступлтон8я в ртодакц81 09.12.2013

12 11 Yu.A. Zinoviev , A.A.Kolpakov , S.V.Kuznetsov , V.D. Shvetsov ,

G.I. Belyavsky1

CREATING THE BASE TECHNOLOGY OF PRODUCING SAME-HEAT LOW-SULFUR

AND HIGH-SULFUR IRONS

Nizhni Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev1,

JSC «GAZ2»

Purpose: Low-sulphur iron for crankshaft and high-sulphur iron for camshaft cast at one blow.

Methodology: Addition (introduction) of various alloying agents into liquid ladle cast iron, and structure and properties examination of samples and parts.

Findings: New compound agents for ladle cast iron made it possible to found base iron for cast products of different composition in one furnace.

Originality/value: The originality is protected by two invention patents.

Key words: casting, chilled iron, distributing shaft, inoculants, additions.