НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

РЕП’ЯХ СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 621.74.045

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА

ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ТОНКОСТІННИХ ВИЛИВОК

СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ, ЩО ВИГОТОВЛЯЮТЬСЯ

ПО ВИТОПЛЮВАНИМ МОДЕЛЯМ

Спеціальність 05.16.04

“Ливарне виробництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України

(м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Котешов Микола Петрович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри ливарного виробництва

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запорізький Національний технічний університет, завідуючий кафедрою машин та технології ливарного виробництва

кандидат технічних наук, професор Таран Борис Петрович, Харківський Національний технічний університет ”ХПІ”, професор кафедри ливарного виробництва

Захист відбудеться “ 20 ” листопада 2007 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “ 18 ” жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виливками спеціального призначення є тонкостінні фасонні конструкції з високолегованих хромо-нікелевих сталей (08Х14Н7МЛ, 10Х18Н9Л і т.п.), з товщиною стін від 2,5 до 5,0 мм, масою до 30 кг, габаритними розмірами до 550 мм які виготовляються тільки методом лиття по витоплюваним моделям. Ці виливки працюють в умовах високого тиску, вакууму, хімічно-агресивних середовищ. Тому одним з основних параметрів якості виливок спеціального призначення є їх герметичність. Відсутність належного рівня герметичності таких виливок приводить до аварій часто пов'язаних не тільки з втратою виробу, але і із загрозою для життя людей. У зв'язку з цим, виливки спеціального призначення проходять рентген-контроль, а також пневмо- і гідровипробування на наявність в них, відповідно, неприпустимої усадкової пористості і течі.

Найчастіше усадкову пористість виявляють в тонких стінах великогабаритних фасонних виливок, які виготовляють в кварцових оболонкових формах (КО) заздалегідь нагрітих до 940…9700С, використовуючи розосереджені літниково-живлючі системи незамкнутого типу, які забезпечують коефіцієнт виходу придатного від 0,15 до 0,35.

З метою зниження усадкової пористості в тонких стінах виливок, при їх виготовленні використовують екзотермічні та утепленні постачальники, холодильники, збільшують кількість живильників, оптимізують хімічний склад та температуру заливки сталі і т.п. Проте, величина загального браку цих виливок досягає 54% з яких до 42% складає брак по усадковій пористості в їх тонких стінах, а з числа виливок визнаних годними, практично 100 % виливок ремонтують.

Причиною появи усадкової пористості в стіні виливки є припинення надходження розплаву від живильника до її двофазної області при затвердінні. В тонких стінах фасонних виливок усадкова пористість, яку виявляють методом рентгенографії, носить локальний характер і залежить від умов течії розплаву в щілистих каналах форми. Тому відомі математичні моделі утворення усадкової пористості в виливках, які розроблені на припущенні миттєвого заповнення форми розплавом і дозволяють обчислити усереднену величину усадкової пористості, не дають можливості дослідити вплив параметрів течії розплаву в формі на величину локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок і, відповідно, розробити рекомендації, направлені на запобігання виникненню неприпустимої локальної усадкової пористості.

Особливість течії розплаву високолегованої хромо-нікелевої сталі в щілистому каналі КО полягає в тому, що вона супроводжується виникненням на поверхні форми твердої кірки. До теперішнього часу недостатньо з’ясовані, як кінетика зміни товщини ливарної кірки в щілистому каналі КО, так і її вплив на локальну усадкову пористість в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву у формі. Крім того недостатньо наведено даних про коефіцієнт теплопередачі від розплаву в ливарну кірку, який обчислюється з використанням числа Нусельта, а також теплофізичних параметрах КО при підвищених температурах, які застосовуються при теоретичних дослідженнях впливу тих та інших параметрів течії розплаву в формі на усадкову пористість в тонких стінах виливок.

Однорідність початкового температурного поля КО – один з показників, що визначає стабільність якості виливок по усадковій пористості. Проте, до теперішнього часу немає даних про вплив однорідності початкового температурного поля КО, яка обумовлена охолодженням КО на повітрі до заливки, на усадкову пористість в тонких стінах виливки.

Запобігання охолодження КО до заливки досягають її формуванням в опорний наповнювач, який, при цьому, не тільки значно збільшує час прожарювання КО, але і приводить до появи на поверхні виливки пітингової корозії, що є показником її браку. Зниження часу прожарювання та збільшення часу витримки КО до заливки без зниження її початкової температури можливо досягнути при упаковці КО в термостат, режими прожарювання в якому до теперішнього часу відсутні.

Таким чином, робота, що спрямована на вирішення задачі по дослідженню закономірностей утворення усадкової пористості в тонких стінах великогабаритних виливок спеціального призначення, що виготовляються по витоплюваним моделям, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є результатом закінченого циклу науково-дослідних робіт, що проводилися кафедрою ливарного виробництва Національної металургійної академії України (ДР 0183.0008460, ДР 0184.0019440, ДР 01850011085) з заключною науково-дослідною роботою “Разработка управляемого процесса изготовления литья по выплавляемым моделям в термостатированные формы” (ДР 01870012394). Автор дисертації був виконавцем цих робіт.

Мета роботи. Метою роботи є дослідження закономірностей утворення усадкової пористості в тонких стінах великогабаритних виливок і розробка рекомендацій щодо удосконалення технології виробництва великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення, які виготовляються по витоплюваним моделям з високолегованих хромо-нікелевих сталей.

Для досягнення указаної мети сформульовані наступні задачі:

1. Забезпечити однорідність температурного поля кварцової оболонкової форми до моменту заливки її металом та розробити режими прожарювання термостатованих кварцових оболонкових форм.

2. Дослідити вплив фазового, хімічного складу та параметрів плавки і заливки високолегованих хромо-нікелевих сталей на усадкову пористість в тонких стінах виливок, яку виявляють методом рентгенографії.

3. Дослідити кінетику зміни товщини ливарної кірки в щілистому каналі кварцової оболонкової форми в процесі течії в ньому розплаву.

4. Розробити механізм та математичну модель процесу утворення локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву та його пристінного затвердіння.

5. Визначити величини теплофізичних параметрів кварцових оболонкових форм та число Нусельта що входять до складу математичної моделі утворення локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок.

6. Розробити рекомендації по підвищенню якості великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення з високолегованих хромо-нікелевих сталей.

Об'єкт дослідження. Технологія підготовки і заливки кварцових оболонкових форм розплавом.

Предмет дослідження. Закономірності утворення усадкової пористості в тонких стінах великогабаритних фасонних виливок з високолегованих хромо-нікелевих сталей, що виготовляються по витоплюваним моделям.

Методи дослідження. В роботі були використані стандартні методи і апаратура, які дозволили встановити об'єктивний взаємозв'язок між досліджуваними параметрами: метод магнітної індукції для визначення частки фериту в структурі сталі 08Х14Н7МЛ; методи визначення хімічного складу сталі; метод зважування для визначення маси; метод проникаючого (рентгенівського) випромінювання для виявлення усадкової пористості; метод кольорової дефектоскопії ЦВ-15М для виявлення поверхневих мікродефектів виливок; метод планіметрування для визначення площ зображень; метод диференціального термічного аналізу для визначення кінетики виділення твердої фази в області двофазного стану сплавів; метод термографування для визначення температури; методи пневмо- і гідровипробувань для виявлення течі у виливках.

Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних законах теорії затвердіння виливок та теплопередачі.

Наукова новизна. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень в області технології лиття по витоплюваним моделям і теорії формування виливок були знайдені нові наукові розв'язання:

Вперше на рівні гіпотези розроблено механізм утворення усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву у формі і його пристінного затвердіння. Розробка відрізняється урахуванням впливу товщини кірки металу в каналах форми на усадкову пористість, що утворюється в тонких стінах виливок. Розробка дозволяє розробити математичну модель утворення локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву у формі і його пристінного затвердіння.

Вперше розроблена математична модель утворення усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву у формі і його пристінного затвердіння. Розробка відрізняється урахуванням впливу параметрів течії та затвердіння розплаву в каналі форми на величину локальної усадкової пористості, що утворюється, в тонкій стіні виливки. Розробка дозволяє прогнозувати рівень локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок і оптимізувати параметри підготовки та заливки форм.

Вперше визначено число Нусельта для одновимірного характеру течії розплаву в щілистому каналі кварцової оболонкової форми в умовах його пристінного затвердіння. Дослідження відрізняються урахуванням умов течії розплаву по щілистому каналу кварцової оболонкової форми. Розробка дозволяє дослідити кінетику зміни товщини кірки металу при течії розплаву в щілистому каналі форми, що визначає рівень усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву в суміжних перетинах форми під час її заливки.

Вперше досліджена кінетика зміни товщини ливарної кірки в щілистому каналі кварцової оболонкової форми при течії в ній розплаву. Розробка відрізняється матеріалом та умовами, при яких досліджена кінетика зміни товщини ливарної кірки. Розробка дозволяє визначити товщину ливарної кірки виливки і прогнозувати герметичність тонкостінних виливок.

Вперше визначені аналітичні залежності теплофізичних параметрів кварцових оболонкових форм від їх пористості та температури в інтервалі від 700 до 11500С. Розробка відрізняється матеріалом та умовами, при яких визначені залежності. Розробка дозволяє дослідити кінетику зміни товщини кірки металу при його течії в формі та виконувати розрахунки часу затвердіння виливок, що виготовляються по витоплюваним моделям.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі результатів проведених досліджень розроблені режими прожарювання термостатованих КО, що на державному підприємстві ”Виробниче об’єднання ”Південний машинобудівний завод” (ДП ВО ПМЗ – раніше п/с Г-4311) дозволило забезпечити однорідність початкового температурного поля КО та збільшити тривалість збереження їх початкової температури до заливки з 1 до 10…20 хв, збільшити початкову температуру в робочому просторі прожарювальних печей з 550 до 7500С, скоротити тривалість прожарювання форм в печах камерного типу на 4…18 годин.

Результати досліджень впливу основних параметрів плавки і заливки на локальну усадкову пористість в тонких стінах виливок дозволили розробити рекомендації по підвищенню якості великогабаритних тонкостінних виливок, часткова реалізація яких на підприємстві ДП ВО ПМЗ дозволила скоротити величину загального браку виливок на 15…25%, у тому числі брак по усадковій пористості - на 30…40% (акт від 15.05.1989).

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, отримані в дисертації, базуються на дослідженнях, проведених автором. В процесі виконання роботи здобувач провів експериментальні і теоретичні дослідження, а також аналіз і узагальнення результатів. Публікації відображують дослідження, виконані автором.

Особистий внесок в сумісних публікаціях: [1] – розроблено механізм і математична модель утворення локальної усадкової пористості в тонких стінах фасонних виливок; [2] – розроблено метод розрахунку величини локальної усадкової пористості в тонких стінах фасонних виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву у формі; [3] – розроблено метод розрахунку величини усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах миттєвого заповнення форми розплавом; [4] – розроблена методика і досліджена кінетики виділення твердої фази в двофазній області затвердіння високолегованих хромо-нікелевих сталей; [5] – розроблена методика і визначена величина відносної кількості твердої фази в області двофазного стану сталі 08Х14Н7МЛ у момент припинення масопереносу в її двофазній зоні; [9] – розроблено спосіб прожарювання термостатованих кварцових оболонкових форм; [12] – розроблено механізм утворення осьової усадкової пористості в тонких стінах виливок; [13] – розроблено режими прожарювання термостатованих кварцових оболонкових форм; [14] – розроблена математична модель утворення локальної усадкової пористості і методика розрахунку параметрів заливки тонкостінних виливок; [15] – розроблена математична модель утворення усадкової пористості в тонких стінах виливок та методика розрахунку герметичності тонкостінних виливок з хромо-нікелевых сталей; [16] – розроблена методика визначення відносної кількості твердої фази в двофазній області сплаву у час утворення в ньому усадкової мікропористості; [17] – розроблена методика визначення відносної кількості твердої фази та її розподілу в області двофазного стану сплавів; [18] – розроблена методика прогнозування герметичності виливок; [19] – розроблена математична модель прожарювання термостатованих кварцових оболонкових форм.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи докладалися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на: Республіканській науково-технічній конференції “Совершенствование процессов точного литья и их интенсификация”(м. Кишинів, 15-16.11.1984); IV Республіканській науково-технічній конференції “Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования” (м. Дніпропетровськ, 28-30.10.1986); зональній науково-технічній конференції “Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок” (м. Андропов, 1987); науково-технічній конференції “ Проблемы промышленной кристаллизации и компьютерное моделирование металлургических технологий ” (м. Іжевськ, 1-3.06.1988); зональній науково-технічній конференції “Разработка технологических процессов литья. Проектирование оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ” (м. Рибінськ, 1990); V Республіканській науково-технічній конференції “Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок” (м. Дніпропетровськ, 1990), науковому семінарі кафедри ливарного виробництва НМетАУ (м. Дніпропетровськ, 25.06.2007).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 8 наукових статтях журналів, які входять в перелік ВАК як фахові, додатково освітлені в тезах докладів у вигляді матеріалів 6 наукових конференцій, в 2 статтях інформаційно-технічного бюлетеня, 1 авторському свідоцтві.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, викладених на 122 сторінках, загальних висновків, списку літературних джерел з 128 найменувань, 1 додатку.

Робота містить 71 рисунок і 26 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність задачі удосконалення технології виробництва великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення з високолегованих хромо-нікелевих марок сталей, що виготовляються методом лиття по витоплюваним моделям і доцільність виконання вибраної теми, сформульована мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність результатів роботи.

В першому розділі наведений короткий опис технології виготовлення і результати аналізу якості виливок спеціального призначення, що виготовляються на підприємстві ДП ВО ПМЗ з високолегованих хромо-нікелевих сталей, аналіз сучасних технологічних схем формовки і прожарювання КО та теорій утворення усадкової пористості у виливках.

Аналіз сучасних технологічних схем формовки і прожарювання КО показав обмеженість їх застосування, що обумовлено низькою термостійкістю КО, масою і габаритними розмірами лиття, особливостями хромо-нікелевих сталей і т.п. У зв'язку з цим дані технічні розв'язання, або не можуть бути використані в умовах серійного виробництва великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення, або не відповідають усім вимогам які забезпечують виготовлення якісного великогабаритного тонкостінного лиття.

Аналіз сучасних теорій утворення усадкової пористості у виливках показав, що причиною виникнення усадкових пор в тілі виливки є припинення живлення розплавом її двофазної зони під час затвердіння виливки. В цілому сучасні математичні моделі виникнення усадкової пористості достатньо достовірно описують відомі експериментальні дані про вплив основних параметрів формування виливок на усадкову пористість в них, але всі ці математичні моделі розроблені з умови миттєвого заповнення розплавом форми. Таке припущення не дозволяє врахувати вплив параметрів заливки і течії розплаву у формі на величину локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок, яка спостерігається по результатам проведення рентген-контролю виливок. Крім того сучасні математичні моделі носять суперечливий характер відносно зв'язку між величиною усадкової пористості і протяжністю пористої зони в стіні виливки, а також в питанні впливу на усадкову пористість швидкості затвердіння виливок.

В другому розділі наведені дані про високолеговані хромо-нікелеві сталі і методики досліджень, відповідно до яких визначали вплив параметрів плавки і заливки на усадкову пористість у виливках-представниках, що виявляється рентген-контролем виливок. Обробку даних здійснювали методом кореляційно-регресійного аналізу, використовуючи електронно-обчислювальну техніку і пакети стандартних комп'ютерних програм.

Визначення максимально-припустимої швидкості нагріву КО здійснювали шляхом зіставлення швидкості підвищення температури в робочому просторі прожарювальній печі в інтервалі температур від 500 до 6000С і результатів дослідження якості поверхні залитих блоків поточного виробництва виливок. Дослідження впливу способу формування КО на її температурне поле при нагріві та охолоджуванні, вибір матеріалу футеровки термостату, визначення режимів нагріву термостатованої КО, визначення теплофізичних властивостей КО і температури виливки проводили розрахунком з використанням даних отриманих методом термографування. Вибір матеріалу та кількості карбюризатора у внутрішній порожнині термостату, здійснювали на підставі результатів візуальної оцінки якості поверхні виливок із сталей 10Х18Н9Л, 08Х14Н7МЛ та 09Х16Н4БЛ (наявність піттингової корозії) і методом капілярної дефектоскопії ЦМ-15В (наявність окисних плівок).

Дослідження газопроникності КО при температурі прожарювання проводили на приладі мод. 042 в комплекті з муфельной піччю. Коефіцієнт термічного лінійного розширення КО визначали ділатометричним методом. Особливістю виконаних досліджень стало використання зразків певної форми, що дало змогу встановити більш певні значення величин газопроникності і коефіцієнтів термічного лінійного розширення КО.

Газотворність КО визначали у відповідності з ДСТ 23409.12. Густину КО форм визначали у відповідності з ДСТ 2409. Визначення густини і пористості сталі при 200С здійснювали розрахунком за даними їх гідростатичного зважування. Визначення швидкості течії розплаву в каналах КО під час заливки визначали розрахунком на підставі даних, отриманих за допомогою осцилографа мод. Н-115. Величину показника ступеня параболи температурного поля форми визначали розрахунком з використанням даних що отримали методом термографування КО. Герметичність виливок оцінювали за наслідками проведення їх пневмо- і гідровипробувань з використанням, відповідно, повітря і води з температурою 20…250С.

До відомих методів досліджень були розроблені оригінальні методики визначення величини відносного змісту твердої фази в області двофазного стану хромо-нікелевих сталей у момент утворення в них усадкової пористості, відносної кількості твердої фази в області двофазного стану сплавів, числа Нусельта в умовах одновимірної течії розплаву в щілистому каналі КО.

В третьому розділі наведено дані експериментальних досліджень. Визначено, що з числа досліджених параметрів плавки і заливки на усадкову пористість в великогабаритних виливках, що виявляється методом рентгенографії , впливає тривалість охолодження КО до заливки на повітрі. При цьому з підвищенням тривалості охолодження КО до заливки усадкова пористість в тонких стінах виливок, що виявляють методом рентгенографії, збільшується. Одною з причин такої залежності є неоднорідність температури різних частин КО у момент заливки її розплавом.

Формування і прожарювання КО в опорному наповнювачі (кварцовому піску) дозволяє достатньо тривало зберігати початкову температуру прожареної КО. Проте, заформована в опорний наповнювач, КО при прожарюванні нагрівається украй нерівномірно (градієнт температур між окремими частинами КО досягає 6000С), що небезпечно з точки зору цілісності КО, і для забезпечення однорідності свого температурного поля вимагає тривалої ізотермічної витримки при температурі прожарювання. Більш рівномірний нагрів КО (градієнт температур між окремими частинами КО – 20…400С) відбувається при нагріві незаформованої КО.

Встановлено, що максимально-припустима швидкість нагріву КО при прожарюванні обмежена інтервалом температур від 500 до 6000С і складає 150…1700С/г. Указану швидкість нагріву, а також однорідність і збереження початкової температури КО протягом 4,5…6,5 хвилин забезпечує її прожарювання в термостаті, футерованим пінодіатомитовою цеглиною марки ПД-400 товщиною 25…30 мм. З метою попередження виникнення на поверхні виливок з високолегованих хромо-нікелевих сталей пітингової корозії і окисних плівок при упаковці КО в термостат потрібно вводити карбюризатор – деревне вугілля з розрахунку 120…135 г на 1 м3 внутрішньої порожнини короба термостата.

Визначено, що газопроникність і газотворність КО, незаформованих в опорний наповнювач або упакованих в термостат, стабілізується за 35…45 хвилин з моменту досягнення КО температури прожарювання і не залежить від хімічних властивостей газового середовища, в якому проводиться прожарювання КО.

Встановлено, що забезпечення однорідності температурного поля КО до моменту її заливки металом знижує, але не усуває повністю локальну усадкову пористість неприпустимої величини в тонких стінах виливок. Це обумовлено тим, що на тривалість затвердіння розплаву в суміжних перетинах щілистого каналу КО впливає не тільки початкова температура її стін, але і товщина ливарної кірки яка утворюється на стінах КО під час течії розплаву при заливці. Тому для проведення теоретичних досліджень впливу параметрів течії розплаву на товщину ливарної кірки та локальну усадкову пористість в тонких стінах виливок визначені аналітичні залежності між пористістю, температурою, густиною, теплоємкістю і теплопровідністю КО в інтервалі температур від t2=7000С до t2=11500С, а також число Нусельта: –

густина КО, кг/м3:

, (1)

де П20 – пористість непрожареної КО (при 200С), %; –

коефіцієнт теплопровідності КО (на повітрі) при густині КО від 1500 до 2000 кг/м3, Вт/(м0С):

, (2)

, ,–

теплоємкість КО, Дж/(кг0С):

, (3)

– число Нусельта для одновимірної течії розплаву в умовах його пристінного затвердіння в щілистому каналі:

Nu=0,053Re0,5 Pr0,25, (4)

де Re і Pr – критерій Рейнольдса та Прандтля відповідно.

Визначення теплофізичних параметрів КО та числа Нусельта, дозволило дослідити кінетику зміни товщини ливарної кірки в щілистому каналі КО. Встановлено, що з тривалістю течії розплаву в щілистому каналі КО товщина ливарної кірки зростає від нуля до відповідного значення і через деякий час зменшується до нуля. При цьому, найвпливовішими параметрами на товщину кірки є тривалість, швидкість (число Нусельта) та температура течії розплаву в каналі форми, про що свідчать залежності на рис. 1.

Для проведення теоретичних досліджень механізму утворення усадкової пористості в тонких стінах виливок експериментально визначено відносний зміст твердої фази () в області двофазного стану сталей 10Х16Н3Л, 08Х14Н7МЛ, 09Х16Н4БЛ, 10Х18Н9ТЛ, 07Х18Н9Л і 04Х13Н5М5К9Л. Встановлено, що процес фільтрації розплаву в області двофазного стану сталі 08Х14Н7МЛ припиняється при відносному вмісті твердої фази в цій області рівного П=0,96…0,98. Встановлено, що величина щонайбільшої локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок тим більше, чим тонкіша стіна виливки і більша зміна швидкості течії розплаву в суміжних перетинах цієї стіни під час заливки КО. При цьому середня величина усадкової пористості в стіні виливки не залежить від характеру зміни швидкості течії розплаву в її суміжних перетинах під час заливки КО.

В четвертому розділі описана конструкція термостата, спосіб упаковки КО в термостат і режими прожарювання КО, упакованих в термостат з пінодіатомитовою футеровкою, які були вперше розроблені і застосовані для прожарювання КО [9].

В загальному вигляді, термостат представляє собою короб з кришкою, які футеровані пінодіатомитом (рис. 2).

Застосування термостатів для упаковки КО під прожарювання і заливку переслідує наступні цілі: зниження усадкової пористості у виливках за рахунок забезпечення однорідності температурного поля КО до моменту заливки металом, запобігання руйнування КО і зниження величини термічної напруги в ній за рахунок забезпечення рівномірності нагріву КО при прожарюванні і збереження початкової температури до заливки, попередження виникнення окисних плівок і пітингової корозії у виливках з хромо-нікелевих сталей за рахунок створення відновного газового середовища в КО і навкруги неї в період формування виливки, підвищення розмірної точності виливок, за рахунок усунення силової дії опорного наповнювача на КО та забезпечення однорідності температурного поля прожареної КО до заливки металом.

Встановлено, що з числа досліджених вогнеопірних та теплоізоляційних матеріалів для футеровки термостату найкращим є цегла пінодіатомитова марки ПД-400. Товщину пінодіатомитової футеровки термостата (ХТОМ) визначають виходячи з міркувань збереження початкової температури прожареної КО до її заливки протягом певного часу, використовуючи формулу (мм):

ХТОМ= 11,777· (5)

де – тривалість збереження КО початкової температури до заливки з моменту її витягнення з прожарювальної печі, хв.; 11,777 – коефіцієнт, мм/хв0,5.

Початкову температуру в прожарювальній печі при якій потрібно проводити завантаження термостатованої КО запропоновано розраховувати по формулі (0С):

t1 = 573+18,5· (6)

де 18,5 – коефіцієнт, 0С/хв.

Розрахунок тривалості витримки термостатованої КО при температурі t1 запропоновано проводити по формулі (хв):

1 =3,43·2 – 27,5· –1,25·1,85+175 (7)

Виходячи з того, що прожарювання КО можливо проводити в печах камерного та прохідного типу, на рис. 3 представлені режими нагріву термостатованих КО при їхньому прожарюванні в однокамерній (рис. 3.а) та двокамерній (рис. 3.б) прожарювальній печі.

У відповідності з рис. 3 час 1 відповідає тривалості ізотермічної витримки в печі термостатованої КО при температурі t1. Час Н відповідає тривалості підвищення температури в прожарювальній печі від t1 до 955150С, а час 2 – тривалості ізотермічної витримки термостатованої КО при 955150С.

Тобто, після знаходження термостатованої КО в печі у продовж часу 1 при температурі t1, надалі можна підвищувати температуру в робочому просторі прожарювальній печі до t2=955150С, що забезпечить підвищення температури КО в термостаті (в інтервалі температур від 500 до 6000С) із швидкістю 150…1700С/г.

Мінімальний час прожарювання КО при t2=955150С запропоновано розраховувати по формулі (хв):

2 =1,25·1,85+110 (8)

В п'ятому розділі наведені результати теоретичних досліджень процесу утворення локальної усадкової пористості в тонкостінних виливках.

Виходячи з залежності товщини ливарної кірки, що утворюється на поверхні КО, від швидкості і тривалості течії розплаву у щілистому каналі, на рівні гіпотези розроблено механізм і математичну модель утворення локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах їхнього заповнення розплавом з пульсуючим характером зміни швидкості течії розплаву в каналах форми та його пристінного затвердіння. Механізм утворення локальної усадкової пористості засновано на припущенні про те, що причиною її утворення є нерівномірність товщини твердої кірки металу, що утворюється в умовах пристінного затвердіння розплаву в період течії розплаву по каналах форми. При цьому товщина твердої кірки обернено-пропорційна швидкості течії розплаву (рис. 4.а).

Нерівномірність первинної товщини кірки металу в різних перетинах каналу КО постійної товщини, в певний момент часу, приводить до локалізації окремих об'ємів розплаву друг від друга і, відповідно, від живлючого елемента літниково-живлючій системи виливки (рис. 4.б). Надалі, саме на цих ділянках стіни виливки і утворюється локальна усадкова пористість щонайбільшої величини при якнайменшій товщині ливарної кірки (рис. 4.в). Виходячи з цього розроблено відповідні умови утворення локальної усадкової пористості і математичну модель згідно з якою величину максимальної локальної усадкової пористості в плоскій стіні виливки запропоновано розраховувати по формулі (%):

ПО=ПСР+Пmax (9)

Пmax=100N1, = ,

tП=0,5(tL+tS), ,

, , ,

де N1 – поправочний коефіцієнт; – товщина стіни виливки, м; , – густина твердого і рідкого металу поблизу температури солідус і ліквідус відповідно, кг/м3; tТЕЧ – середня температура течії розплаву в i та i+1 перетині каналу у формі, 0С; t2 – початкова температура форми, 0С; tП – температура поверхні виливки під час її затвердіння, 0С; Nui і Nui+1 – число Нусельта для i та i+1 перетині стіни виливки відповідно; n – показник ступеня параболи розподілу температурного поля у формі; tL і tS – температура ліквідус і солідус сплаву відповідно, 0С; - коефіцієнт об'ємної усадки сплаву при його переході з рідкого в твердий стан; R – половина товщини стіни виливки, м; і – коефіцієнт теплопровідності твердого і рідкого металу поблизу температури солідус і ліквідус відповідно, Вт/(м0С); ТЖ – ширина області двофазного стану сплаву в стіні виливки у момент часу Ц, м; b2 – коефіцієнт теплоакумулюючої здібності КО при температурі t2, Вт·с0,5/(м2 ·0С); – відносний зміст твердої фази в області двофазного стану сплаву виливки; П – відносний вміст твердої фази в двофазній області сплаву у момент припинення в неї фільтраційного масопереносу; L – теплота кристалізації сплаву, Дж/кг.

Результати розрахунку величини максимальної локальної усадкової пористості для умов пульсуючого характеру зміни течії розплаву в суміжних перетинах щілистого каналу КО і його пристінного затвердіння, отримані по формулі (9), представлені на рис. 5 та рис. 6. Із рис. 5 і рис. 6 видно, що величина найбільшої локальної усадкової пористості (ПО) в стінах виливок знижується із збільшенням їх товщини (), із підвищенням швидкості течії розплаву в каналах форми (W) та початкової температури КО (t2), із підвищенням температури течії розплаву у формі (tТЕЧ) і із зниженням величини відношення між щонайбільшим (Wi+1) і якнайменшим (Wi) значеннями швидкості течії розплаву в суміжних перетинах каналу форми.

Виходячи з отриманих результатів, з метою підвищення якості великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення з високолегованих хромо-нікелевих марок сталей, а також скорочення тривалості прожарювання КО, були розроблені відповідні рекомендації по підготовці, прожарюванню та заливці КО, а також до конструкцій літникові-живлючих систем.

В шостому розділі наведені результати промислового опробування розроблених рекомендацій і режимів прожарювання КО в цеху точного сталевого лиття підприємства ДП ВО ПМЗ, з яких витікає, що технологія отримання виливок в термостатовані КО, порівняно з цеховою технологією, дозволяє скоротити тривалість прожарювання форм на 4…18 годин і зберігати початкову температуру прожарених КО до 20 хвилин. Крім того розроблена технологія прожарювання КО дозволяє збільшити початкову температуру в робочому просторі прожарювальних печей з 550 до 7500С. Додатковим ефектом пожарювання КО в термостаті виявилась можливість створення в формі газового середовища з відновними властивостями. Це сприяло підвищенню якості поверхні виливок за рахунок зменшення на них площ пітингової корозії та числа окисних плівок.

Виготовлення великогабаритних тонкостінних виливок методом лиття по витоплюваним моделям в термостатовані КО з існуючими в цеху конструкціями літниково-живлючих систем незамкнутого типу дозволяє понизити загальний брак лиття на 15…25%, з числа яких 30…40% – брак по усадковій пористості. В той же час, використання літниково-живлючих систем замкнутого типу в виробництві великогабаритних виливок з високолегованих хромо-нікелевих марок сталей дозволяє виключити брак лиття спеціального призначення по усадковій пористості в його тонких стінах.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведені теоретичні узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, яке полягає у визначенні закономірностей впливу параметрів підготовки і заливки форм на утворення усадкової пористості в тонких стінах великогабаритних виливок спеціального призначення, що виготовляються по витоплюваним моделям. З метою покращення їх якості та підвищення ефективності технологічного процесу за матеріалами виконаних досліджень отримані наступні наукові і практичні результати:

1. Аналіз сучасних технологічних схем виробництва виливок по витоплюваним моделям показав, що дослідження, спрямовані на визначення закономірностей впливу параметрів підготовки і заливки форм на утворення усадкової пористості в тонких стінах великогабаритних виливок спеціального призначення, є актуальними.

2. Досліджені закономірності утворення усадкової пористості в тонких стінах великогабаритних виливок, що виготовляються по витоплюваним моделям з високолегованих хромо-нікелевих сталей.

3. Досліджена кінетика зміни товщини ливарної кірки в щілистому каналі кварцової оболонкової форми, в процесі течії в ньому розплаву.

4. На рівні гіпотези розроблено механізм і математичну модель утворення локальної усадкової пористості в тонких стінах виливок в умовах пульсуючого характеру зміни швидкості течії розплаву по каналах форми і його пристінного затвердіння під час заливки форми.

5. Визначено число Нусельта і отримані аналітичні залежності теплофізичних параметрів кварцових оболонкових форм від їхньої густини та температури.

6. Встановлено, що величина локальної усадкової пористості в тонких стінах фасонних виливок знижується із збільшенням температури і масової швидкості заливки розплаву сталі у форму, початкової температури форми і зі зменшенням величини перепаду швидкості течії розплаву в суміжних перетинах каналу форми.

7. Розроблено режими прожарювання кварцових оболонкових форм в термостаті з пінодіатомитовою футеровкою, які дозволяють скоротити тривалість прожарювання кварцових оболонкових форм на 4…18 годин, збільшити початкову температуру в прожарювальній печі з 550 до 7500С, збільшити час охолоджування форми до заливки на повітрі з 1 до 10…20 хв, забезпечити затвердіння і охолоджування виливок у газовому середовищі з відновними властивостями.

8. Розроблено рекомендації щодо підвищення якості великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення з високолегованих хромо-нікелевих сталей та скорочення тривалості прожарювання кварцових оболонкових форм.

9. Встановлено, що в умовах цеху точного сталевого лиття державного підприємства ”Виробниче об’єднання ”Південний машинобудівний завод” розроблені рекомендації при використанні існуючих в цеху конструкцій літниково-живлючих систем дозволяють понизити величину загального браку виливок на 15…25%.

Основний зміст роботи висловлений в публікаціях:

1. Осевая пористость в тонкостенном литье по выплавляемым моделям / С.И. Репях, В.М. Смирнов, Н.П. Котешов, И.И. Снисарь. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1986. – №10. – С. 93–96.

2. Расчёт усадочной пористости в фасонных отливках / С.И. Репях, В.М. Смирнов, Н.П Котешов., И.И. Снисарь. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1987. – №2. – С. 79–83.

3. Репях С.И., Смирнов В.М., Снисарь И.И. Об усадочной пористости в отливках // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1990. – №2. – С. 77–79.

4. Исследования кинетики выделения твёрдой фазы в двухфазной области затвердевания сплавов / С.И. Репях, В.М. Смирнов, Н.П. Котешов, И.А. Ефименко. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1990. – №4. – С. 56–58. имер, яхя оскости более 5мм,________________________________________________________________________________________________

5. Репях С.И., Смирнов В.М., Снисарь И.И. Массоперенос в двухфазной зоне затвердевающих сплавов // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1991. – №2. – С.70–71,

6. Репях С.И. Расчёт величины усадочной пористости в тонких протяжённых стенках отливок // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2006. – №4. – С. 57–59.

7. Репях С.И. Исследования кинетики образования твёрдой фазы в условиях одномерного течения расплава стали 08Х14Н7МЛ в щелевом канале литейной формы // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2006. – №5. – С. 29–34.

8. Репях С.И. Исследования газопроницаемости многослойных керамических оболочковых форм // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2007. – №1. С. 34–36.

Додатково наукові результати відображені в публікаціях:

9. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям: А.с. 1764770. СССР. МКИ В 22 С 9/04 / В.М Смирнов, С.И. Репях, И.И. Снисарь – № 4817644/02; Заявл. 19.02.90. Опубл. 30.09.92. Бюл. №36. – 2 с.

10. Репях С.И. Расчёт литниково-питающих систем для литья по выплавляемым моделям // Литьё Украины, 2003. – №10. – С. 7–14. , №11. – С. 4–11.

11. Репях С.И. Термостатирование керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Литьё Украины, 2004. – № 5. – С. 10–16. , № 6. – С. 9–13.

12. Репях С.И., Смирнов В.М., Котешов Н.П. Формирование осевой пористости в тонкостенном литье по выплавляемы моделям // Совершенствование процессов точного литья и их интенсификация: Республ. научно-техническая конференция. Кишинёв, 15–16 ноября, 1984 г. – Кишинёв: Реклама, 1984. – С. 71–72.

13. Репях С.И., Снисарь И.И., Пожидаев А.В. Совершенствование технологии литья по выплавляемым моделям // Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования: IV Республ. научно-техническая конференция. Днепропетровск, 28–30 октября 1986 г.– Днепропетровск: ДМетИ, 1986. – С.143–144.

14. Репях С.И., Смирнов В.М., Снисарь И.И. Методика расчёта параметров заливки тонкостенных отливок // Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования: IV Республ. научно-техническая конференция. Днепропетровск, 28–30 октября 1986 г.– Днепропетровск: ДМетИ, 1986. – С.164–165.

15. Смирнов В.М., Репях С.И., Снисарь И.И. Расчёт герметичности тонкостенных отливок из хромоникелевых сталей // Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок: Зональная научно-техническая конференция. Андропов, 1987 г. – Ярославль: ЯПИ, 1987. – С. 71.

16. Методика определения относительного количества твёрдой фазы в двухфазной области затвердевания в момент прекращения фильтрации расплава / В.М. Смирнов, С.И. Репях, И.И. Снисарь, И.П. Передистый // Проблемы промышленной кристаллизации и компьютерное моделирование металлургических технологий: Научно-техническая конференция. Ижевск, 1–3 июня 1988 г. – Ижевск: УдГУ, 1988. – С. 62–63.

17. Методика определения относительного количества твёрдой фазы и её распределение в области двухфазного состояния сплавов / С.И. Репях, В.М. Смирнов, Н.П. Котешов, И.А. Ефименко, И.И. Снисарь // Проблемы промышленной кристаллизации и компьютерное моделирование металлургических технологий: Научно-техническая конференция. Ижевск, 1–3 июня 1988 г. – Ижевск: УдГУ, 1988. – С. 84–85.

18. Репях С.И., Смирнов В.М. Прогнозирование герметичности отливок из высоколегированных сталей при литье по выплавляемым моделям // Разработка технологических процессов литья. Проектирование оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ: Зональная научно-техническая конференция. Рыбинск, 1990 г. – Ярославль: ЯПИ, 1990. – С. 67–68.

19. Смирнов В.М., Репях С.И., Снисарь И.И. О возможности управления процессами формирования отливок в литье по выплавляемым моделям // Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок: V Республ. научно-техническая конференция. Днепропетровск, 1990 г. – Днепропетровск: ДМетИ, 1990. – Т.II. –С. 106–108.

АНОТАЦІЯ

Реп’ях С.І. Удосконалення технології виробництва великогабаритних тонкостінних виливок спеціального призначення, що виготовляються по витоплюваним моделям. – Рукопис.

Дисертація на здобуття