DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 13.06.2008

Материалы

загрузка...

Повышение эффективности процесса науглероживания расплава при изготовлении массивных отливок ответственного назначения из синтетического чугуна

Калистов Сергей Валентинович, 13.06.2008

 

б – при применении в качестве науглероживателя смеси угольной крошки и карбоната кальция

; где V1, V2, V3, V4 – скорости изменения концентрации соответственно веществ СА, СВ, СС, Сd; запишем систему дифференциальных уравнений, которые в общем виде связывают временное изменение концентраций компонентов реакции СА и СС при участии промежуточных продуктов СВ и Сd со скоростями элементарных реакций V1, V2, V3, V4:

Решение системы (12), с учетом начальных условий приводит к следующей математической модели процесса науглероживания:

), вариант перехода углерода только по одному из рассмотренных механизмов, а также некоторые частные случаи (например, равенства скоростей науглероживания по обоим механизмам и установившегося процесса).

Полученные результаты решения задач в дальнейшем использовались при разработке промышленной технологии выплавки синтетического чугуна для отливок ответственного назначения.

В третьей главе приведены результаты исследования качества отливок ответственного назначения «Коленчатый вал» из чугуна марки ВЧ 50, массой 4,5 тонны получаемых в условиях ОАО «РУМО» (г. Н.Новгород) до внедрения новых технических решений. Проведен анализ дефектов. Металлографическими, акустическими и химическими исследованиями показана неизбежность неоднородности материала отливки, обусловленная отрицательными эффектами науглероживания расплава при выплавке синтетического чугуна.

Для исследования выбирали отливку и разрушали ее в местах, где УЗК показал наличие несплошностей. Исследования коленчатых валов выявили, что наряду с дефектами газоусадочного характера в изломе наблюдаются макродефекты, связанные с неоднородностью материала отливки.

Для исследования структурной неоднородности из шейки коленвала изготавливали макрошлиф и делали серный отпечаток. На отпечатке четко обозначились три зоны с различной структурой (рис. 4).

Рис. 4. Серный отпечаток макрошлифа коренной шейки коленчатого вала.

Дополнительно проводился химический анализ и измерения акустических свойств каждой зоны (таблица 1).

Химический анализ и акустические свойства различных зон по сечению

Зона скорость звука м/сек Массовая доля элементов, %

С S P Cr Si Mn Mg Ti

1 Сигнал отсутствует 4,21 0,035 0,05 0,16 2,69 0,50 0,09 0,03

2 5100 4,49 0,009 0,06 0,15 2,79 0,48 0,07 0,03

3 5420 3,39 0,007 0,06 0,13 2,81 0,43 0,04 0,03

Зона 1 отличается более высоким содержанием серы в 4-5 раз не только по сравнению с зонами 2 и 3, но и относительно допустимого верхнего предела по требованиям, предъявляемым к коленчатым валам, которая составляет S?0,025. Это свидетельствует о всплывании сульфидов магния по сечению

Исследования образцов, отобранных по ходу промышленных плавок на печах ИЧТ-10М2 при получении коленчатых валов, включающие в себя отбор металла в пробы и вырезку образцов, после загрузки и проплавления каждого компонента шихты, определения количества связанного, свободного и общего содержания графита и исследования микроструктур полученных образцов показали, что наряду с отдельными мелкими включениями во всех образцах, отобранных по ходу плавки, сохраняются крупные недорастворившиеся включения графита, с размерами 90-180 мкм, а в пробе от «болота» - до 360мкм, которые способствуют образованию спели.

Анализ микроструктур, показывает, что графитовые включения в исследуемых образцах, имеют форму неправильных многогранников с острыми углами, что характерно для недорастворившегося графита. Так как скорость затвердевания массивных узлов невысокая, графит успевает всплыть верхнюю часть сечения отливки и образовать колонии, которые не пропускают УЗ волны. В итоге при УЗ контроле дефект классифицируется как усадочная

Проведенные исследования показали, что дефектами крупногабаритных отливок, выявляемыми методами УЗК, являются макронесплошности в толстостенных сечениях, вызванные не только газоусадочными, но и ликвационными явлениями. Графитовая спель в теле отливки образуется в результате выделения графита при затвердевании из расплава, либо в результате неполного растворения частиц науглероживателя.

Подобные дефекты относятся к неустранимым, и для их профилактики необходимо снижать содержание серы в расплаве и повышать степень однородности чугуна путем устранения крупных недорастворившиеся включений графита и увеличения количества центров графитизации.

В четвертой главе приведены результаты сравнительных исследований структуры материала коленчатого вала неразрушающими методами: (-графированием и ультразвуковым воздействием. Показано, что предпочтительной является ультразвуковая зеркально-теневая методика.

Ввиду большого разнообразия марок и, соответственно, различия по характеру и количеству структурных составляющих матрицы чугунов скорость звука и его затухание колеблются в очень широких пределах. Волна рассеивается на структурных фрагментах материала (зернах, графитовых включениях), появляется «структурный шум», препятствующий широкому применению УЗ контроля по стандартизованным методикам. Считается, что из-за своей структурной неоднородности чугун неконтролепригоден для классической УЗ дефектоскопии.

Дефекты литья имеют объемный характер, в связи с чем, применение стандартной эхо-импульсной УЗ-методики не эффективно, так как амплитуда ультразвуковых эхо-импульсов от таких дефектов практически не зависит от направления прозвучивания, от места ввода колебаний, от типа волны, используемой частоты и имеет малое превышение над уровнем фона. Это связано с тем, что поверхность раковин отливок получается шероховатой, неправильной, а сама раковина окружена, как правило, большим числом мелких пор. Поэтому ультразвуковая волна не отражается от такого дефекта, а рассеивается во всех направлениях. Амплитуда эхоимпульса становится ниже предельной чувствительности дефектоскопа и не идентифицируется на экране, либо значение амплитуды так незначительно превышает уровень фиксации, что ее нельзя использовать как критерий размеров дефекта.

В этой ситуации, когда дефекты имеют плохие отражательные свойства, в работе предлагается использовать затеняющее воздействие дефектных мест на амплитуду прошедшего импульса. С учетом конструктивных особенностей коленчатого вала это затеняющее действие несплошностей чугуна на эхоимпульс от задней стенки объекта («зеркально-теневая» УЗ-методика).

С целью определения практической возможности применения такой методики для контроля качества массивных чугунных коленчатых валов:

отбирали коленвалы для диагностики;

проводили контроль методом ?-графирования с целью определения дефектных мест и их размеров;

проводили дубль контроль этих же коленвалов по зеркально-теневой УЗ-методике;

в местах обнаружения дефектов производили излом и осуществляли визуальный контроль.

В ходе этих работ использовали следующие диагностические признаки эхо-сигналов:

1 – на экране дефектоскопа не наблюдаются эхо-сигналы (затеняющее действие несплошностей чугуна на эхо-импульс от задней стенки объекта);

2 – на экране дефектоскопа наблюдается только первый отраженный от донной поверхности импульс (уровень отраженного донного сигнала);

3 – на экране дефектоскопа наблюдается отраженный импульс от дефектов (уровень отраженного сигнала от дефекта).

На основании исследований проводили математическую обработку результатов. Значение коэффициента корреляции, полученное при использовании в качестве диагностического признака – отсутствие эхо-сигнала, с данными ?-графирования составило 0,85. Результаты исследований по предлагаемому принципу совпали также с результатами визуального контроля, проведенного после разрушения отливок по месту расположения дефектов. При этом рыхлоты в чугуне, заполненные неметаллическими включениями, плохо выявлялись радиационным контролем и уверенно определялись по зеркально-теневой УЗ-методике.

На основе проведенных исследований была разработана и внедрена методика проведения ультразвукового контроля коленчатых валов из высокопрочного чугуна, реализованная на ОАО «РУМО».

Пятая глава посвящена разработке и внедрению в производство новых технических решений, основанных на результатах исследований в предшествующих главах работы.

Здесь же дана информация о необходимых организационно-технических мероприятиях по освоению новой технологии и результаты исследований контрольных отливок, а также приведена экономическая оценка.

Для снижения количества неметаллических включений и, в частности, сульфидов, были внедрены следующие мероприятия: использование шихтовых материалов с низким содержанием серы, в частности, лома из высокопрочного чугуна; введение дополнительной операции – десульфурации магнийсодержащими материалами. Дополнительно для удаления неметаллических включений зеркало металла обрабатывали флюсом.

Для снижения спели, вызванной недорастворившимися включениями графита, применили карбонат кальция в виде мраморной крошки. Карбонат кальция вводился путем механического перемешивания с углеродсодержащими материалами в отношении 90% - науглероживатель, 10% - мраморная крошка. Порядок загрузки компонентов оставался неизменным, как в базовой технологии (табл. №2).