Конструирование литых автомобильных деталей из высокопрочного чугуна

Увеличение выпуска и совершенствование производства отливок из высокопрочного чугуна (ВЧ) одно из важнейших направлений прогресса литейного производства. ВЧ является эффективным конструкционным материалом, широко применяемым для изготовления ответственных деталей в различных областях техники.

Удельный вес отливок этих чугунов во многих промышленно развитых странах достиг уровня 15-25% всего выпуска из черных сплавов.

Это объясняется комплексом технико-экономических преимуществ, выгодно отличающих ВЧ от других широко применяемых конструкционных материалов: серого чугуна(СЧ) и ковкого чугуна (КЧ), стали. Механические свойства ВЧ существенно выше, чем у СК и КЧ и и находятся на уровне свойств углеродной стали. Пластические свойства ВЧ несколько ниже, чем у стали, однако высокий предел текучести обеспечивает повышенную эксплуатационную надежность деталей машин. Все это относится к ВЧ рядовых марок. ВЧ, подвергнутый легированию или специальным видам термообработки, имеет более высокие механические свойства.

Литейные свойства ВЧ по жидкотекучести, заполняемости, трещино-образованию, литейной усадке и др. значительно лучше, чем у литой стали, и близки к показателям СЧ.

Для применения отливок из ВЧ взамен заготовок, полученных литьем, ковкой, сваркой и других черных, а иногда цветных сплавов, достигается существенная технико-экономическая эффективность за счет уменьшения массы заготовок и их стоимости, снижения трудоёмкости механической обработки и повышения эксплуатационных характеристик деталей.

Так, замена СЧ на ВЧ дает возможность в 1,5-2 раза уменьшить толщину стенок отливок, и тем самым, снизить материалоемкость деталей машин при одновременном повышении их надежности и долговечности в 1,5-2,5 раза. Это обеспечивает экономию материала в среднем 300 кг на одну тонну литья.

При замене стального литья и поковок выход годного увеличится на 35%, масса отливок уменьшается на 1015% за счет разницы удельных весов и уменьшение припусков, в 1,5-2 раза снижается трудоемкость механической обработки. Экономия металла при переводе стального литья на ВЧ составляет в среднем 130 кг на одну тонну литья.

ВЧ применяется: в автомобильных узлах – двигателях, трансмисси-ях(шестерни, зубчатки и картера ведущих мостов), подвесках, тормозах и рулевом управлении, для коленчатых валов; в сельскохозяйственном машиностроении – детали тракторов, плуговых лемехов, кронштейны, зажимные рычаги, шкивы, картер заднего моста. На-

А.А. Гетьман, А.В.Васильева, В.А.Иванова дежны в эксплуатации туннельные сегменты из перлитного ВЧ для метрополитена и подземных дорог.

ВЧ – распространенный материал для запорной и регулирующей арматуры, работающей в газовой и жидких средах (кислотных, солевых и щелочных). Перспективен ВЧ и при использовании в атомной энергетике для крупногабаритных контейнеров для транспортировки и хранения ядерно-топливных стержней. Литые контейнеры из ВЧ выдержали исключительно жесткие и тяжелые испытания, имитирующие условия дорожнотранспортных аварий и авиакатастроф (бросание 85 тонной отливки с высоты 9 м на 1000 тонные железобетонные блоки при температурах -40⁰с, обстрел крупно калиберными снарядами из танков с целью нанесения отливке ударов с почти звуковой скоростью и др.) без существенных повреждений и обеспечил полную радиационную безопасность при хранении отработанных топливных стержней, которые содержат около 50% радиоактивного изотопа урана-235. [ 4,5 ]

Бейнитые ВЧ, обладающие высокой прочностью и пластичностью (σ в = 900 – 1300МПа, δ = 5 – 15%) перспективны для литья износостойких деталей, работающих в условиях циклических нагрузок (зубчатые колеса, коленвалы, колесные ступицы и др.).

На ряде предприятий накоплен и положительный опыт применения ВЧ. Так, более 150 наименований деталей металлорежущих и деревообрабатывающих станков, корпуса патронов и станочных тисков и др. В кузнечнопрессовом машиностроении более 100 наименований деталей изготовляют из ВЧ взамен СЧ, литой стали и проката. Особенно эффективно применение ВЧ для деталей гидроаппаратуры, работающих при давлении 20МПа.

В последние годы широкое применение начинает получать ЧВГ, у которого в отличие от ферритного ЧШГ ниже значение модуля упругости и коэффициента термического расширения, но выше показатели теплопроводности, демпфирующие свойства, термоусталостная долговечность в условиях тепловых ударов; сопротивляемость необратимому формоизменению в условиях высоких температур; лучшие литейные свойства. Это позволяет отливать герметичные детали сложной формы и обеспечивает повышенный выход годного. ЧВГ целесообразно использовать, прежде всего, для отливок большой массы, сложной конфигурации с различной толщиной стенок.

Существующий объем производства отливок из ЧШГ и ЧГВ примерно 1,0% от общего тоннажа отливок не отвечает потенциальным возможностям этого материала. Одной из основных причин, сдерживающих их использование, является недостаточное знание конструкторами их свойств и возможностей применения взамен поковок, штамповок, стального проката и литья, отливок из СЧ и КЧ.

Применение ЧШГ целесообразно в следующих основных случаях:

• -    для замены отливок из низко- и среднеуглеродистых сталей с целью снижения металлоемкости деталей, уменьшение объема и трудоемкости их механической обработки и, в ряде случаев, для повышения их износостойкости;

• -    для замены поковок с целью экономии проката, увеличения КИМ, уменьшения металлоемкости деталей, снижения объема и трудоемкости механической обработки, а иногда для повышения их износостойкости;

• -    для замены отливок из серого чугуна с целью снижения металлоемкости деталей, повышения их прочности, износостойкости, герметичности и др. характеристик, обеспечивающих увеличение долговечности и надежности машин и изделий;

• -    для замены заготовок из цветных сплавов с целью экономии дорогостоящих дефицитных металлов, снижения металлоемкости, а также для повышения долговечности изделий.

Новый ГОСТ 7293-85 на ЧШГ и ЧВГ введенный с 01.01.87г. устанавливает 8 марок чугуна на основе механи- ческих свойств. Марка чугуна определяется его временным сопротивлением и условным пределом текучести. При расчете на прочность литых деталей, весьма важно знать механические свойства, не предусмотренные ГОСТом, для этого нами произведен соответствующий пересчет этих свойств с определением временного сопротивления, условного предела текучести и предела выносливости, при изгибе, сжатии, кручении, срезе [1]

Предлагаются [1] также уравнения регрессии для расчета временного сопротивления, относительного удлинения и твердости на основе корреляционной связи между ними.

Надежность технологического процесса изготовления литых деталей характеризуется вероятностью обеспечения заданных свойств в процессе их изготовления [2,5].

Показателями надежности технологического процесса изготовления литых деталей являются: технологический коэффициент запаса прочности – «К 2 » и коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений, влияние размеров детали и ее поверхности «К 3 ». При определении первого из них следует учитывать, что разброс экспериментальных данных по усталости подчиняется нормальному закону распределения. Тогда величина коэффициента К 2 представляет собой отношение логарифмов максимальной долговечности, полученных при испытании партии однотипных литых деталей.

Рассчитан также коэффициент К 3 не только применительно к случаю малоцикловой усталости, но и ко всему диапазону долговечности, вплоть до базового числа циклов предела выносливости при практически любых коэффициентах асимметрии цикла. Эти коэффициенты определены из отношения предела выносливости материала к пределу выносливости конструктивных элементов различных конфигурации.

Коэффициенты К2 и К3 в их вероятностном выражении выступают как показатели количественной оценки надежности технологического процесса изготовления литых деталей и приме- няются также для определения допускаемых напряжений.

Показатели механических свойств ЧШГ и ЧВГ существенно зависят от формы графитовых включений. Для достижения наилучших прочностных и пластических свойств необходимо обеспечить в структуре не менее 80%графита правильной шаровидной формы. Характер влияния формы графитовых включений на величину временного сопротивления и относительное удлинение изменяется также в зависимости от металлической основы. Так, например, при увеличении доли графитовых включений правильной шаровидной форм от 20до 90% значения σ в и δ возрастают соответственно на 10-15% и 150-300% у ферритных и на 20-25% и 270-700% у перлитных ЧШГ.

Механические свойства ЧШГ зависят от скорости охлаждения отливок, в том числе от толщины их стенок. Квазиизотропия прочностных свойств ЧШГ значительно выше, чем СЧ и приближается к стали. С увеличением толщины отливки прочность ЧШГ понижается, однако это падение не велико и составляет 20% при увеличении диаметра отливки от 30 до 250мм.

Пластические состава понижаются более резко. Так, при увеличении толщины стенок от 25 до 150 мм. Пластические свойства понижаются примерно в 3 раза.

Износостойкость ЧШГ с перлитной структурой марки ВЧ60-2 в 2,5 раза выше износостойкости СЧ 20 в 1,5 раза – модифицированных чугунов СЧ 25 и СЧ 30.

При конструировании литых деталей из ЧШГ следует учитывать особенности его кристаллизации и затвердевания, склонность к образованию усадочных дефектов, внутренних напряжении, неметаллических включений [3].

Так изучение процессов кристаллизации высокопрочного чугуна в узлах сопряжений различных конструктивных элементов показывает, что во внутренних углах сопряжений с малыми радиусами, где скорость роста твердого слоя в начальный период кристаллизации низ-

А.А. Гетьман, А.В.Васильева, В.А.Иванова кая, как правило, образуются утяжины, трещины и даже открытые усадочные раковины. При увеличении радиусов закругления свыше оптимальных возрастает массивность теплового узла и объем усадочной пористости в нем.

Скорость продвижения фронта кристаллизации в узлах сопряжений зависит от величины радиуса закругления, типа конструктивного элемента и соотношения толщины сопрягаемых стенок. Но роль конструкции элемента детали и его основных геометрических параметров имеет существенное значение в начальной стадии процесса затвердевания, т.е. в момент возможного образования утяжин и горячих трещин в углах сопряжений.

Управление процессом продвижения фронта кристаллизации путем изменения конструкции элемента отливки позволяет повысить плотность узла сопряжения, весьма существенно уменьшает вероятность развития утю-жин, трещин усадочных раковин и пористости. Однако, определить оптимальную конфигурацию элемента детали в результате только этих исследований не представляется возможным, так как механические свойства деталей зависят от вида, размера и характера расположения дефектов в тепловом узле и в районе его влияния. Поэтому дальнейшие исследования целесообразно направить на изучение механических свойств при статических и циклических нагрузках типовых Т-,Х- и Z- образных конструктивных элементов в виде модельных образцов. Исследования показывают, что с увеличением площади теплового узла конструктивного элемента пораженного усадочной пористостью прочность снижается.

При статических нагрузках величину радиуса закругления в сопряжениях конструктивных элементов литых деталей следует принимать равной толщине ребра. Целесообразность такого выбора подтверждается и результатами изучения места разрушения конструктивных элементов. Основная масса образцов 56% разрушились по сопряжениям, 18% - на некотором расстоянии от него, 26% - в захватах. Во всех случаях получена четкая зависимость между расположением мест разрушения конструктивных элементов и величинами радиусов закругления в сопряжениях. Итак, наиболее полно условиям равно-прочности, т.е. равной вероятности разрушения по сопряжениям и плоской стенке конструктивных элементов, отвечают значения радиусов закругления, равные одной толщине ребра.

Построена номограмма для определения радиусов закруглений в сопряжениях конструктивных элементов литых деталей из ЧШГ [5].

В плоских стенках с неорганизованным питанием усадочная пористость распределяется более или менее равномерно по всему сечению; наличие ребер на них локализует усадочную пористость возле узла сопряжения или вписывает в него. Именно поэтому свойства Т-образных конструктивных элементов в сравнении со свойствами плоских стенок ниже как при циклически, так и статических нагрузках. Наличие второго симметричного ребра, т.е. переход от Т- к Х- образным конструктивным элементам приводит к общем случае к дальнейшему снижению свойств литых деталей.

В то же время, наличие тонких ребер на силовых стенах конструктивных элементов приводит к перераспределению характера расположения усадочной пористости и повышению на 2040% механических свойств Х-образных сопряжений в сравнении с Т- и Z – образными.

Таким образом, для каждого сплава и технологии изготовления отливок существует критическая толщина стенки, наличие ребер на которой приводит к увеличению ее прочности при толщинах меньше критической или к равнопрочности узла сопряжения и силовой стенки при критической толщине.

Для улучшения свойств Х-образных конструктивных элементов, как известно, необходимо смещать ребра относительно друг друга. Однако величина смещения рекомендуется многими авторами без достаточного осно- вания. Так, например, В.Б. Гокун в монографии «Технологические основы конструирования деталей машин», изд. в 1963г. рекомендует ребра смещать на расстояние одной толщины ребра. А П.И.Орлов в книге «Основы конструирования машин», изд. в 1977 г. рекомендует смещать ребра на двадцать толщин ребра. Эти рекомендации противоречивы и взаимоисключающие.

Исходя из анализа процесса кристаллизации сплавов и прочностных свойств обоснованно то минимальное расстояние, на которое необходимо смещать ребра для получения максимальных механических свойств. Сформулированы условия перехода от Z-образных к более надежным последовательно расположенным Т-образным конструктивным элементам, понимая под последними элементы, в которых ребра смещены на такое расстояние, когда исключается взаимное влияние образованных ими тепловых узлов. Построена номограмма для определения смещения ребер в литых деталях [5].

При правильном смещении ребер благоприятно изменяется характер расположения пористости, уменьшается склонность к образованию утяжини и трещин, а механические свойства улучшаются на 20-40%, т.е. увеличиваются до значений, характерных Т-образных конструктивных элементов. При этом уменьшается разброс свойств, а следовательно, в конструкциях такие узлы работают надежнее.

Исходя из отдельных концепций количественных связей в системе конструкция литой детали – структура – механические свойства построена обобщенная математическая модель ме- ханических свойств и элементов литых деталей [5].

Механические свойства литых деталей зависят от технологических и конструктивных факторов, выраженных соответственно коэффициентами «А» и «В». Определение степени влияния этих факторов на механические свойства конструктивных элементов литых деталей, конечно представляет довольно сложную задачу.

Методические рекомендации [1] в виде руководящего технического материала (РТМ) на конструирование элементов литых деталей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обеспечивают снижение массы литых деталей на 20-30%, сокращают брак отливок по утяжинам на 30-40%, по трещинам на 50-60%, по усадочным раковинам на 60-80% и повышают механические свойства литых деталей при статических и циклических нагрузках на 20-30%.