Анализ качества втулок цилиндров двигателей методом неразрушающего контроля

Согласно данным нормативно-технической документации, такие втулки цилиндров (рис. 1) изготавливают из высокопрочного чугуна (C = 3,4-3,6%; Si = 1,8-2,3%; P ≤ 0,08%; S ≤ 0,01%; Cr ≤ 0,08%; Mn = 0,4-0,7%; Ni ≤ 0,5%; Cu = 0,40-0,60%; Mo = 0,25-0,45%; Mg = 0,04-0,08%), которые подвергают термической обработке – нормализации (твёрдость 229-285НB; временное сопротивление разрыву σв ≥ 539МПа; относительное удлинение δ ≥ 1,5%; толщина азотированного слоя ≥ 0,60мкм и его твёрдость ≥ 460НV; хрупкость – групп I и II). Структура металла должна иметь включения графита

Рисунок 1 - Втулка цилиндра

(шкала 3А) - ШГф3, ШГф4, ШГф5 (ГОСТ 3443), пластинчатый перлит или высокоотпущенный бейнит (ПТ1) до 30% с долей перлита (шкала 6Г) - П, П96, П92, П85; по площади фосфидной эвтектике (шкала 9Г) -ФЭп2000, ФЭп6000 и распределению включений (шкала 9Б) - ФЭр1; по строению включений эвтектики (шкала 9А) - ФЭ1, ФЭ2, ФЭ3, ФЭ4, ФЭ5. Структурно-свободный цементит не допускается.

Измерения коэрцитивной силы производили прибором КРМ-Ц-К2М, а обработку информации осуществляли в соответствии с отраслевым украинским стандартом «Неразрушающий контроль качества магнитным методом деталей при их изготовлении, техническом обслуживании и ремонте» СОУ 29.32.4-37-532:2007 [1].

Целью исследований явилось установление связи в отливках из высокопрочного чугуна «твёрдость - коэрцитивная сила» и «структура металла - коэрцитивная сила». Для реализации поставленной цели провели статические исследования этих показателей.

Результаты исследований. Из всей анализируемой выборки изделий только 48% соответствовало требованиям по уровню твёрдости и 64% по микроструктуре. И лишь 28% изделий соответствовало одновременно требованиям по твёрдости и микроструктуре металла.

Выбрали 25 втулок для детального анализа (рис. 2). Показана динамика несоответствия втулок требованиям (выше и ниже таких показаний). Из графика видно, что 8% втулок цилиндров по уровню твёрдости находится выше верхнего предела, 44% - ниже нижнего предела и 48% втулок цилиндров соответствуют требованиям.

По данным показаний коэрцитивной силы [2-6], которые были получены на Береславском машиностроительном заводе при статистических измерениях, получили информацию о значениях верхней, средней и нижней зон втулок цилиндров (табл. 1).

Из данных таблицы не просматривается особой закономерности в уровне связи твёрдость-коэрцитивная сила. Коэрцитивная сила изменяется более существенно лишь в отдельных отливках от 20% до 60%, в основном, колебания в одной втулке цилиндров составляют до 5-10%. Как показал анализ, наблюдаемое связано с большим числом факторов: ликвацией компонентов при модифицировании чугуна; неоднородностью процесса кристаллизации втулки цилиндра из-за разной толщины стенки используемой металлической формы; наличием напряжений из-за различных условий кристаллизации верхней и нижней зон изделия. Кроме того, исследованиями было установлено, что имеет место неравномерный нагрев втулок цилиндров в печи при их нормализации.

■ 6,9

Коэрцитивная сила, Нс

Рисунок 2 - Зависимость твёрдость-коэрцитивная сила

– выше верхнего предела значений по твёрдости; – ниже нижнегопредела значений по твёрдости; – соответствует требованиям предела значений по твёрдости

Таблица 1 - Данные показаний коэрцитивной силы

1	Верхняя часть			и =	Средняя часть			О 1	Нижняя часть			о =	1 5	S	5	1
196	5,6	5,4	5,7	5,6	7,8	7,9	8,2	8,0	7,6	7,8	8,6	8,0	7,2	5,4	8,6	3,2
217	5,1	4,9	4,9	5,0	4,9	4,7	5,1	4,9	5,1	5,0	5,3	5,1	5,0	4,9	5,3	0,4
217	6,6	6,7		6,7	6,0	6,2		6,1	6,2	6,4		6,3	6,4	6,0	6,7	0,7
212	6,6	7,0	7,0	6,9	6,5	6,5	6,4	6,5	6,8	6,9	6,8	6,8	6,7	6,4	7,0	0,6
248	7,2	7,1	7,1	7,1	6,9	6,9	6,9	6,9	7,1	7,1	7,0	7,1	7,0	6,9	7,2	0,3
223	6,7	6,9	6,8	6,8	6,5	7,1	6,7	6,8	7,1	6,9	7,2	7,1	6,9	6,5	7,2	0,7
212	6,6	6,4	6,1	6,4	5,4	5,4	5,4	5,4	6,0	6,3	5,9	6,1	6,0	5,4	6,6	1,2
212	5,2	5,5	5,6	5,4	5,0	5,1	5,2	5,1	5,5	5,7	5,6	5,6	5,4	5,0	5,7	0,7
241	6,8	6,8	6,8	6,8	7,7	7,8	7,9	7,8	8,0	8,1	8,1	8,1	7,6	6,8	8,1	1,3
248	7,3	7,3	7,4	7,3	8,0	8,0	8,1	8,0	8,1	8,1	8,0	8,1	7,8	7,3	8,1	0,8

Все эти факторы оказывают влияние на структурообразование и уровень напряжений, что соответствует показаниям коэрцитивной силы. Минимальный уровень напряжений характерен для верхней части втулки цилиндра, что определяется, в первую очередь, меньшей скоростью её кристаллизации и напряжениями; средняя часть характеризуется промежуточными показаниями коэрцитивной силы. Можно предположить, что существенный вклад в изменение показаний вносит металлическая форма, которая имеет отличающуюся температуру по высоте и способствует различным условиям кристаллизации и структурообразованию.

Анализ химического состава проб, отобранных от втулок цилиндров показал, что основными ликвирующими компонентами являются углерод и сера (в 25% случаев), а также кремний (~ 50% случаев), что подтверждает не качественное модифицирование расплава SiMn-лигатурой.

Анализ структуры металла показал, что наличие цементита до 5% способствует повышению коэрцитивной силы до 10,6А/см, в то время как уровень твёрдости не превышает 248НВ, т.е. соответствует данным нормативно-технической документации.

При низкой твёрдости, равной, в среднем, 196НВ в верхней зоне отливки коэрцитивная сила не превышала Н с = 5,4-5,7А/см, а в нижней (где более тонкая изложница) – она достигала Н с = 7,6-8,6А/см, т.е. такая разница определяется отличающимися (более быстрыми) условиями кристаллизации отливки и появлением 1,5-2% цементита (рис. 3).

а                               б

Рисунок 3 - Включения цементита во втулке цилиндра а – на глубине 1-2 мм×1000; б – на глубине 4-5 мм×1000

При этом, доля перлитной (сорбитной) составляющей достигает 88%. Форма и количество графита соответствуют требованиям. Кроме цементита выявлено 3,5% ледебурита, что также не допускается.

Выводы. В результате проведенного анализа можно утверждать, что коэрцитивная сила в большей мере, чем твёрдость, является параметром, характеризующим качество изделия и по её существенным отклонениям можно судить с большей достоверностью о структуре металла, уровню напряжений в отливке и соответствию её требованиям нормативно-технической документации.

Для повышения качества изделий следует рекомендовать использование современных модификаторов типа SUPERSEED® 75 INOCULANT, RESEED® INOCULANT, FOUNDRISIL® 75 INOCULANT, которые предназначены для модифицирования отливок с предотвращением выделений карбидной фазы, а также, включающие компоненты, которые позволяют из одного ковша отливать последовательно ряд отливок, с предотвращением эффекта демодифицирования. К числу таких компонентов, в первую очередь, относится стронций.

Что касается снижения уровня напряжений, то можно рекомендовать программированный нагрев изложниц для отливки втулок с обеспечением их равномерного нагрева и однородных условий кристаллизации изделия по его высоте.

Украина, Харьков, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко