Технологические основы процессов изготовления тонкостенных стальных деталей транспорта с кристаллизацией под давлением

Актуальность проблемы. Из всех многочисленных требований к транспортному средству определяющим является его надежность, которая обеспечивается конструкционной прочностью силовых деталей на протяжении заданного ресурса эксплуатации. Конструкционная прочность детали зависит от ее формы, размеров, механических свойств материала, технологии ее изготовления и схемы нагружения. Сталь является основным материалом для высоконагруженных деталей транспорта, которые получают механической обработкой из проката, штамповок или литья. Для транспорта наиболее перспективно применение технологии литья по выплавляемым моделям (ЛВМ), так как по этому методу возможно изготовление стальных деталей любой конфигурации без или с минимальным объемом механической обработки. Качалки, кронштейны, подвески характеризуются наличием конструктивных элементов в виде проушин, длинномерных тонких стенок, сечений коробчатой и Х-образной формы, ГД7, У — образного сочленения стенок и ребер, резкими переходами от массивных частей к тонким. Существующий метод ЛВМ осуществляется плавкой стали в открытых индукционных печах и заливкой форм из ковша не обеспечивает стабильность механических свойств как в разных частях, так и разных партиях отливок, что связано с ограниченными возможностями управления тепловыми условиями и гидродинамическими параметрами литья. Нестабильность мехсвойств стальных деталей ЛВМ, а такие недостаток сведений об их конструкционной прочности ограничивает область их применения в силовых конструкциях транспорта. Специальные методы литья с применением высокого и низкого давлений, литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка) не нашли широкого применения из-за низкой стойкости пресс-форм и металлопроводов при контакте с жидкой сталью, а литье методом направленного затвердевания и высокотемпературная газостатическая обработка (ВГО) отливок из-за дорогостоящего оборудования и высоких энергетических затрат используют в основном для изготовления лопаток ГТД.

С другой стороны, современные представления о строении стали в жидком состоянии и в интервале кристаллизации, разработанные математические модели для расчетов на ЭВМ процессов кристаллизации и структуро-образования с учетом конфигурации деталей и тепловых условий на границе расплав-форма показывают на неиспользованные резервы повышения служебных свойств стальных деталей транспорта и необходимость разработки новых технологических процессов их получения с применением физических воздействий на кристаллизующиеся расплавы.

Перспективным направлением по расширению области применения литых деталей на транспорте является решение конструкторско-технологических проблем изготовления композиционных материалов на стальной основе, например, систем сталь — твердый сплав, сталь низкоуглеродистая — сталь легированная износостойкая.

Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы, исследования по которой проводились в соответствии с ежегодными Планами работ литейной лаборатории НАПО, с 1985 по 1995 гг., Комплексной программой «Разработка и внедрение технологии и оборудования для изготовления тонкостенных фасонных отливок из сталей по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД)» в период 1989;1995гг, утвержденной Зам. министра МАП А. Г. Братухиным 17сент.1989 г. и Планом работ литейной лаборатории НАПО на 1997;2000 гг.

Цель работы. Создание нового способа литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД), обеспечивающего изготовление тонкостенных стальных деталей транспорта с требуемым уровнем конструкционной прочности при статических и циклических нагрузках.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи: определить температурные режимы и давление запрессовки тонкостенных выплавляемых моделей (ВМ) из высокопрочной модельной композиции (МК) и параметры изготовления ВМ из твердых МК методом вибропрессованияобосновать пути совершенствования процессов изготовления многослойных оболочковых форм (ОФ), разработать метод оценки их прочности под силовым воздействием жидкого метала и экспериментально определить количественные показатели гидравлической прочности ОФ в зависимости от способов их изготовления и формовкиобеспечить получение стабильных показателей механических свойств стали ВНЛ-'З (08Х14Н5М2ДЛ) при плавке в открытой индукционной печиустановить технологические режимы литья стали под давлением в вакууме тонкостенных деталей с гарантированными механическими свойствамиобосновать температурный и гидродинамические параметры нового способа литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД), исследовать характер течения расплава и характер затвердеванияотливок, их свойства и конструкционную прочность при статических и циклических нагрузкахосвоить в производстве технологию и оборудования литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением тонкостенных стальных деталей транспортарасширить область применения технологий ЛВМКД для изготовления биметаллических композитов сталь — твердый сплав ВК8 и деталей ответственного назначения из алюминиевых сплавов.

Вышеизложенные задачи были решены в процессе экспериментальных и теоретических исследований, выполненных автором в литейной лаборатории НАПО в содружестве с институтами Прикладной физики, НовосибНИ-АТ, СибНИА, Горного дела СО РАН, ВИЛС, ВИАМ, НИАТ и др. и рядом заводов на основе научно-технического сотрудничества.

Методы исследований. Исследования проводились для широкой номенклатуры высоконагруженных стальных деталей транспорта. Были выбраны ответственные детали из номенклатуры, выпускаемой НАПО, Улан-Уденского авиационного завода, Юргинского машзавода и др.

Результаты работы могут быть использованы также во многих других отраслях промышленности. Теоретические исследования выполнялись с использованием программы «Кристаллизация-ЬУМ-З» и ПВЭМ IBM PC 286,386.

Экспериментальные исследования были выполнены на действующем оборудовании для литья по выплавляемым моделям с использованием специально разработанных в данной работе установок, оснащенных регистрирующей и записывавшей аппаратурой.

Исследования структуры проводились методами металлографического анализа на микроскопе NEOPHOT-21.

Эксплуатационные свойства определялись натурными испытаниями и испытаниями мехсвойств при статических и циклических нагрузках.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней обоснованы технологические параметры процессов изготовления выплавляемых моделей, многослойных оболочковых форм, плавки и заливки стали.

1. На основе анализа тепловых условий, распределения температур и фазового состава стали по сечению металлоприемника, исследований запол-няемости тонких стенок в зависимости от параметров давления на расплав, его расхода и температуры металла на входе в форму и данных по результатам исследования гидравлической прочности оболочковых форм создан принципиально новый технологический процесс литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД), обеспечивающий изготовление тонкостенных стальных деталей транспорта с гарантированной конструкционной прочностью при статических и циклических нагрузках. Создание способа литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением можно квалифицировать как крупное научно-техническое достижение, не имеющее аналогов в мире, открывающее новое научное направление в развитии управляемых процессов литья.

2. Впервые установлены параметры изготовления выплавляемых моделей методом вибропрессования: давление прессования, частота и продолжительность вибровоздействия на модельную композицию.

3. Предложены новые технические решения по совершенствованию механизма формообразования многослойных оболочковых форм. Их качество обеспечивается за счет: обработки модельных блоков в водном растворе ПАВ, приведенном в турбулентно-вихревое состояние, или в кипящем слое зернистого материалаприготовления стабилизированной суспензии в закрытой емкостиудаления воздуха из суспензии при ее нанесении на модельный блок методом вакуумного всасыванияприложения избыточного давления на суспензию и применения в качестве обсыпочного материала сферокорунда. Установленные закономерности и технологические параметры процессов формообразования многослойных оболочковых форм открывают новое направление в создании дешевого малогабаритного отечественного оборудования и новый класс формовочных материалов — полых сфер огнеупорных оксидов.

4. Разработан метод гидроиспытаний оболочковых форм. Впервые получены показатели гидравлической прочности форм ЛВМ, в зависимости от способов их изготовления, упрочнения и формовки.

5. Впервые проведены работы по изготовлении биметаллических композитов сталь-твердый сплав ВК8 способом литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением и исследованию переходной зоны между сталью и твердым сплавом. Создан новый технологический процесс изготовления биметаллических композитов на основе стали, открывающий новую область применения литых деталей на транспорте в качестве износостойких материалов биметаллических композитов типа сталь низкоуглероди-стая-сталь легированная износостойкая, сталь-твердый сплав и т. п.

Достоверность результатов исследований подтверждается: • - сравнением и сопоставлением полученных результатов с известными аналогами, теорией и экспериментами;

— экспериментальные данные получены на проверенном оборудовании в соответствии с паспортными техническими характеристиками, оснащенного аппаратурой и приборами контроля, записи и регистрации технологических параметров;

— все экспериментальные работы по изготовлению, анализу, контролю, испытаниям образцов и деталей проведены в соответствии с утвержденной НТД, обученным и аттестованным персоналом.

Практическая ценность работы заключается в том, что решена важная для народного хозяйства проблема изготовления тонкостенных стальных деталей транспорта с гарантированной конструкционной прочностью при статических и циклических нагрузках. Организовано опытно-промышленное производство стальных деталей по методу ЛВМКД, изготовлены установка и технологическая оснастка, создан участок ЛВМКД. Разработана в полном объеме конструкторско-технологическая документация. Внедрено в производство устройство изготовления крупногабаритных деталей ЛВМКД. Получены количественные данные конструкционной прочности стали ВНЛ-3 при статических и циклических нагрузках в зависимости от способов изготовления стальных деталей транспорта.

Внедрен в производство, технологический процесс изготовления тонкостенных выплавляемых моделей (ВМ) сложной конфигурации из высокопрочной модельной композиции (МК) МВС-ЗА. Разработана опытно-промышленная установки изготовления ВМ методом вибропрессования.

Разработана установка и внедрен в производство техпроцесс подготовки поверхности модельных блоков (МБ) в водном растворе ПАВ, приведенном в турбулентно-вихревое состояние параллельными струями сжатого воздуха. Разработаны установка приготовления, хранения и нанесения суспензии на МБ методом вакуумного всасывания с последующим приложением на нее избыточного давления. Разработана установка выплавления МБ из ОФ. Проведены производственные испытания сферокорунда в качестве об-сыпочного материала (ОМ) и наполнителя форм ЛВМ. Разработана установка и внедрен метод гидроиспытаний ОФ.

Внедрены в производство результаты работ по стабилизации мех-свойств стали ВНЛ-3 при плавке в открытой индукционной печи, а именно: технология футеровки печей шпинельными порошкамираскисление сталей лигатурой ФС 30 РЗМЗОустройство термостатирования проб горячей магнитной индукцииприборы потенциометры с модернизированным механизмом вращения дискапоплавочный контроль азота и режим старения деталей после закалки в зависимости от его содержания в стали.

Разработана конструкторско-технологическая документация на изготовление биметаллического режущего инструмента методом ЛВМКД. Проведены производственные испытания работоспособности резцов и фрез. Внедрено в производство изготовление деталей ответственного назначения из алюминиевых сплавов методом ЛВМКД.

Суммарный экономический эффект от внедрения составляет 2,6 млн. р. в ценах на 1.01.99 г.

Личный вклад автора в представленной работе. Основой диссертации послужили результаты экспериментально — теоретических исследований и производственных испытаний, отражающие длительный период (cl985г.) работы диссертанта в должности начальника литейной лаборатории НАПО, в которой выполнены все работы по теме диссертации.

Диссертант внес определяющий вклад в постановку, обоснование и осуществление программ исследований. Он является также автором основных идей и выводов, изложенных в работе, лично им в коллективах научно-технических групп написано большинство заявок на изобретения, статей и сделаны выступления на конференциях и семинарах, что подтверждается публикациями и патентными документами.

В диссертации обобщены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно и вместе с сотрудниками литейной лаборатории НАПО, НовосибНИАТ, литейного цеха и ОГМ НАПО, СибНИА.

Многие работы выполнены по линии творческих связей автора с сотрудниками других организаций ВИАМ, ВИЛС, НИАТ, институтом Горного дела СО РАН и др.

Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании экспериментальных и опытно-промышленных установок, внедрении ихв производство, разработке методик и проведении экспериментов, обработке результатов их интерпретации, оформлению и публикации.

Результаты теоретических исследований, представленных в диссертации принадлежат автору и выполнены на основе личного научного творчества.

Апробация работы. Материалы диссертации и основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях НАПО (г.Новосибирск, 1986;1992 гг.), семинарах областного правления НТО Машпром (г.Новосибирск, 1986;1990 г. г.)., отраслевом семинаре «Автоматазация процессов литья по выплавляемым моделям» (г.Москва, 1989 г.), Межотраслевом Экспертном Совете по содействию внедрению научно-технических достижений (г.Москва, 1989 г.), межотраслевой конференции «Управление технологическими процессами литья и свойствами отливок» (г.Москва, 1990 г.), совещании «Управление структурообразованием и свойствами в отливках» (г.Самара, 1991 г.), межрегиональной конференции «Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве» (г.Хабаровск 1991 г.), Республиканском семинаре, «Методы контроля и исследований в производстве отливок по выплавляемым моделям»^. Москва, 1992 г.), Республиканской научно-технической конференции «Проблемы прочности и усталостной долговечности материалов и конструк-ций» (г. Новосибирск, 1997 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Технологии, оборудование и производство инструмента для машиностроения и строительства» (г. Новосибирск, 1999 г.) — Третьем Российско-Корейском Международном симпозиуме «КСЖШ'99» (г. Новосибирск, 1999 г.) — региональной научно-практической конференции и выставки «Транссиб-99» (г. Новосибирск, 1999 г).

Публикации. Материалы работ опубликованы в 36 статьях, описаниях 11 авторских свидетельств, получено 4 патента РФ.

На защиту выносятся:

1. Структурообразование МК и технологические параметры изготовления тонкостенных ВМ из МК МВС-ЗА. Устройство изготовления ВМ из твердых МК.

2.Совершенствование механизма формообразования многослойных.

ОФ.

3. Метод испытаний и гидравлическая прочность форм ЛВМ.

4. Технологические режимы литья стали под давлением в вакууме, ее структура и механические свойства.

5. Работы по стабилизации механических свойств стали BHJI-3 при плавке в открытой индукционной печи.

6. Новый способ литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением.

7. Конструкционная прочность деталей из стали BHJ1−3, изготовленных ЛВМКД и по альтернативным техпроцессам.

8. Новые области применения технологии ЛВМКД:

— изготовление биметаллических композитов сталь — твердый сплав ВК 8;

— изготовление деталей ответственного назначения из алюминиевых сплавов и их мехсвойства.

Автор выражает благодарность и признательность д-р техн. наук, профессору Аксенову В. А. за постоянное внимание и поддержку при обсуждении работы, а также соавторам и участникам творческих коллективов и групп директору НовосибНИАТ канд. техн. наук Гречко В. Н., директору завода «Алмаз» Томилову В. И., канд.техн.наук Каранику Ю. А., с которыми выполнен большой объем работ по созданию нового способа литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлениемсоавторам и участникам работ по созданию технологии литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением биметаллических композитов сталь-твердый сплав ВК8 начальнику лаборатории резания завода «Авиаинструмент» Савинову Ю. П., начальнику литейного цеха Игнатову А. И., соавтору работ по изготовлению литейной оснастки Пастухову В. И. за разработку чертежей технологической оснастки и приспособлений, графиков и рисунков к публикациямИТР литейного цеха, ОГМ и ЦЗЛ, всем рабочим литейного цеха и литейной лаборатории, участвующих в проектировании, изготовлении приспособлений, оснастки, оборудования, создании участка ЛВМКД и в проведении исследовательских работведущему инженеру СибНИА Семухину Г. П.,.

15 ст.н.с., канд.техн.наук Тульскому В. П. за проведение испытаний усталостной долговечности.

I. ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТА С ГАРАНТИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Решена важная научно-техническая проблема изготовления тонкостенных стальных деталей транспорта с требуемым уровнем конструкционной прочности при статических и циклических нагрузках в режиме длительной эксплуатации. Разработана совокупность технологических процессов изготовления тонкостенных выплавляемых моделей, многослойных оболочковых форм, плавки и заливки стали.

1. На основе анализа тепловых условий, распределения температур и фазового состава стали по сечению металлоприемника, исследований запол-няемости тонких стенок в зависимости от параметров давления на расплав, его расхода и температуры металла на входе в форму и данных по результатам исследования гидравлической прочности оболочковых форм создан принципиально новый технологический процесс литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД), обеспечивающий изготовление тонкостенных стальных деталей транспорта с гарантированной конструкционной прочностью при статических и циклических нагрузках. Создание способа литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением можно квалифицировать как крупное научно-техническое достижение, не имеющее аналогов в мире, открывающее новое научное направление в развитии управляемых процессов литья.

ЛВМКД характеризуется постоянными тепловыми условиями и управляемыми гидродинамическими параметрами процесса, к которым относятся давление на расплав, весовой расход и температура расплава на входе в форму. Выявлено, что приложение давления на кристаллизующийся расплав устраняет неоднородность первичной литой структуры отливок ЛВМКД, способствует устранению газоусадочных дефектов в длинномерных тонких стенках и сопряжениях стенок и ребер, повышает плотность стали в массивных частях деталей по сравнению с ЛВМ и изменяет характер формирования усадочной раковины в прибыли толстостенной отливки. Получены количественные данные конструкционной прочности стали ВНЛ-3 при статических и циклических нагрузках в зависимости от способов изготовления стальных деталей транспорта. Организовано опытно-промышленное производство стальных деталей по методу ЛВМ КД. Изготовлена установка и технологическая оснастка, создан участок ЛВМКД.

Разработана в полном объеме конструкторско-технологическая документация на процесс, оборудование и технологическое оснащение ЛВМКД. Разработано и внедрено в производство устройство изготовления крупногабаритных деталей ЛВМКД.

2. Обоснованы и экспериментально установлены технологические параметры изготовления тонкостенных ВМ: давление запрессовки в зависимости от конфигурации и массы детали и рабочая температура при которой МВС-ЗА приобретает оптимальные технологические свойства. Температура выплавления МВСЗА, принята из условий удаления ВМ из ОФ без остатка МК и предупреждения термоокислительной деструкции компонентов модельного состава. По результатам работ вместо МК ПС 50:50 внедрен в производство высокопрочный состав МВСЗА, который из-за низких реологических свойств ранее применялся для изготовления простых деталей. Впервые установлены режимы изготовления ВМ вибропрессованием: параметры вибровоздействия и давление прессования. Разработано устройство для исследования текучести МК под действием низкочастотной вибрации и разработана установка для изготовления ВМ вибропрессованием из твердых МК без их расплавления.

3. Экспериментальные работы по пропитке ОФ упрочняющими растворами показали повышение их прочности и залечивание трещин, что предотвращает случаи прорыва ОФ жидким металлом во время заливки. Принятая технология пропитки ОФ упрочняющими растворами фосфатов не приводит к насыщению поверхностного слоя отливок фосфором. Более высокие показатели прочности ОФ дает пропитка растворами негидролизованного ЭТС в ацетоне.

4. Предложены новые технические решения по совершенствованию механизма формообразования многослойных оболочковых форм. Их качество обеспечивается за счет: обработки модельных блоков в водном растворе ПАВ, приведенном в турбулентно-вихревое состояние, или в кипящем слое зернистого материалаприготовления стабилизированной суспензии в закрытой емкостиудаления воздуха из суспензии при ее нанесении на модельный блок методом вакуумного всасыванияприложения избыточного давления на суспензию и применения в качестве обсыпочного материала сферокорунда. Установленные закономерности и технологические параметры процессов формообразования многослойных оболочковых форм открывают новое направление в создании дешевого малогабаритного отечественного оборудования и новый класс формовочных материалов — полых сфер огнеупорных оксидов. Разработан метод гидроиспытаний оболочковых форм. Впервые получены показатели гидравлической прочности форм ЛВМ, в зависимости от способов их изготовления, упрочнения и формовки.

Внедрены в производство или находятся в стадии внедрения новые техпроцессы и установки для изготовления оболочковых форм (ОФ):

— разработана установка и внедрен техпроцесс подготовки поверхности модельных блоков (МБ) в водном растворе ПАВ, приведенном в турбулентно-вихревое состояние параллельными струями сжатого воздуха;

— разработан способ подготовки поверхности МБ перед нанесением суспензии путем обработки его в кипящим слоем обсыпочного материала;

— разработана установка и определены технологические параметры приготовления, хранения и нанесения суспензии на МБ методом вакуумного всасывания с последующим приложением на нее избыточного давления;

— установлены технологические параметры и разработана установка выплавления МБ из ОФ;

— проведены производственные испытания сферокорунда в качестве об-сыпочного материала (ОМ) и наполнителя форм ЛВМ, которые показали, что благодаря высокой текучести и низкому насыпному весу он равномерно покрывает поверхность МБ, хорошо проникает в глухие отверстия и карманы, длинномерные отверстия малого диаметра. Отсутствие открытой пористости сокращает расход суспензии. При применении сферокорунда вес ОФ снижается в 2—2,5 раза. При формовке он хорошо заполняет глубокие полости и глухие отверстия ОФ. Благодаря отсутствию пыли в сферокорунде, улучшаются условия труда и культура производства;

— разработана установка и внедрен метод гидроиспытаний ОФ и форм.

ЛВМ.

5. Установлены технологические режимы литья стали под давлением в вакууме: начальная температура подогрева прессформ 250 °C и скорость прессования меньше первой критической. Эффективность давления зависит от величины прессостатка.

6. Внедрены в производство результаты работ по стабилизации мех-свойств стали ВНЛ-3 при плавке в открытой индукционной печи, а именно: технология футеровки печей шпинельными порошкамираскисление сталей лигатурой ФС 30 РЗМЗОустройство термостатирования проб горячей магнитной индукциипотенциометры с модернизированным механизмом вращения дискапоплавочный контроль азота и режим старения деталей после закалки в зависимости от его содержания в стали.

7. Впервые проведены работы по изготовлению биметаллических композитов сталь-твердый сплав ВК8 способом литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением и исследованию переходной зоны между сталью и твердым сплавом. Создан новый технологический процесс изготовления биметаллических композитов на основе стали, открывающий новую область применения литых деталей на транспорте в качестве износостойких.

173 материалов биметаллических композитов типа сталь низкоуглероди-стая-сталь легированная износостойкая, сталь-твердый сплав и т. п.

8. Экспериментальные работы по расширению области применения технологий ЛВМКД показали их эффективность при изготовлении тонкостенных алюминиевых деталей с повышенными требованиями по плотности и механическим свойствам.

9. Технологические основы изготовления ВМ, ОФ и отливок ЛВМКД и предложенные технические решения для их реализации в конструкциях действующих опытно-промышленных установок, рекомендуются разработчикам и предприятиям, выпускающим литейное оборудование.