Теоретичні основи та технології створення вузлів машин з перемінною зносостійкістю

У п’ятому розділі наведені теоретичні передумови створення та описані технології виготовлення гільз циліндрів автотракторних та комбайнових двигунів з заданою диференційованою зносостійкістю робочої поверхні. Основний принцип, покладений у створення технології виготовлення деталей з заданими експлуатаційними властивостями, – це управління термодинамічними процесами формування заготовки протягом всього часу її формування, тобто управління процесами структуроутворення.

Утворення тієї, чи іншої структури при одному і тому ж складі чавуна залежить від температури виплавки, швидкості кристалізації та охолодження заготовки.

Температура виплавки чавуна значною мірою впливає на розмір зерна та кількість графітових включень у зв’язку зі зменшенням центрів кристалізації через їх розчинення при зростанні температури виплавки. Шкідливий вплив на знососійкість чавуна високого перегріву металу для ввода необхідних лігуючих елементів уникнуто за рахунок застосування легкоплавких лігатур. Застусування лігатур також додатково рафінує метал та підвищує його якість в порівнянні з індивідуальним вводом лігуючих елементів.

Швидкість охолодження залежить від термодинамічних якостей форми і маси заготовки. Для забезпечення утворення графіту необхідного розміру і форми, усунення відбілу потрібно гальмування процесу кристалізації заготовки (рис. 11). Для утворення необхідної металевої матриці у вигляді сорбітоподібного перліту необхідно прискорити охолодження в інтервалі температур перлітного перетворення. Далі, при температурах 400... 500 ºС швидкість охолодження заготовки потрібно знову зменшити для забезпечення проходження процесу самовідпуску та зняття внутрішніх напруг. При некерованому процесі охолодження все відбувається навпаки. При заливці металу у форму швидкість охолодження дуже велика і відбувається швидка кристалізація чавуну з утворенням цементитних включень. По мірі охолодження заготовки і нагріву форми різниця температур між формою і заготовкою зменшується і проходження температур перлітного перетворення відбувається повільно. Як наслідок, утворюється структура крупнопластівчатого перліту та включень фериту. Частина цементиту, що утворюється під час первинної кристалізації, розпадається з утворенням міждендрітного графіту. Така структура чавуну, з точки зору зносостійкості, не є оптимальною. Таким чином, для отримання високозносостійкої структури чавуну, необхідно керувати термодинамічними процесами формування заготовки. Технологія керування процесами структуроутворення полягає у комплексі заходів по забезпеченню кожного її етапу. У процесі кристалізації необхідно забезпечити зменшення тепловіддачі від заготовки у навколишній простір. Це забезпечується при відцентровій відливці завдяки двом речам: застосуванню екзотермічних сумішей та використання кокілю з композиційних матеріалів на основі титану. Екзотермічні суміші, що подаються в кокіль перед заливкою, перемішуючись з рідким металом, рафінують його. Підіймаючись на внутрішню поверхню відливки вони палають і перешкоджають кристалізації заготовки з внутрішньої сторони, забезпечуючи направлену кристалізацію з зовнішнього боку в середину, зменшуючи припуск на механічну обробку. Застосування кокілю з композиційного матеріалу на основі губчастого титану дозволяє зменшити тепловіддачу від заготовки у зовнішнє середовище та знизити швидкість кристалізації.

Такі заходи дозволяють отримати в структурі чавуну оптимальні з точки зору антифрикційних властивостей крупнопластівчасті включення графіту без наявності точечного та междендрітного графіту. Відбіл заготовки також відсутній.

Після завершення процесу кристалізації охолодження заготовки з зовнішнього і внутрішнього боків йде в неоднакових умовах: основний тепловідвід відбувається з зовнішнього боку в тіло кокілю, а втрати тепла відливкою з внутрішньої поверхні незначні. Тому швидкість охолодження внутрішньої робочої поверхні гільзи повільна. Необхідно почати примусово охолоджувати внутрішню поверхню з метою усунення надмірного росту графітових включень та можливості подальшого утворення фериту. Це досягається підстудженням внутрішньої поверхні продуванням стислим повітрям. Після досягнення відливкою температури 800... 900 °С починається її інтенсивне охолодження повітряно-водяною сумішшю (рис. 12).

При виготовлені гільз циліндрів з подальшим загартуванням струмами високої частоти (СВЧ) висока якість робочої поверхні забезпечується попередньою підготовкою структури під загартування СВЧ, що полягає в управлінні процесами структуроутворення, і підготовкою під загартування чисто перлітної структури чавуну, замість перлітно-феритної у разі некерованих процесів охолодження. Твердість робочої поверхні збільшилася з 37... 41 HRC до 47... 53 HRC. Задана перемінна зносостійкість поверхні забезпечується рухом індуктора по заданому закону швидкості.

Розроблена також технологія виготовлення блоків циліндрів автомобільних двигунів ВАЗ з перемінною зносостійкістю робочої поверхні циліндра. Зміст технології полягає в ранньому вилученні відливки з форми при температурі 850... 900 °С та її примусовому охолодженні в зоні верхньої частини циліндра. Інтенсивність охолодження нерівномірна як по довжині твірної, так і по колу циліндра, що дає можливість усунення нерівномірного зносу циліндра як по висоті, так і по колу для зникнення як конусності, так і еліпсності при експлуатації.

На розроблені технології виготовлення гільз та окремі елементи для їх здійснення отриманий ряд авторських свідоцтв на винахід.

У шостому розділі описані технології виготовлення втулок циліндрів суднових середньообертних дизелів при литті в піщано-глинясті форми та відцентровим способом. Разові піщано-глинясті форми забезпечують процес кристалізації в оптимальних умовах за рахунок низької теплопровідності форми, її газопроникності та можливості надання відливці необхідної форми. Швидкість кристалізації забезпечується підбором складу формувальної суміші відповідно до товщини стінки відливки. Але подальше охолодження відливки з малою швидкістю у разовій піщано-глинястій формі не забезпечує отримання високозносостійкої структури за рахунок утворення крупнопластівчатого перліту та включень структурно-вільного фериту. Твердість відливки на внутрішній поверхні падає до 180 НВ. Подавлення процесу утворення фериту може бути досягнуто декількома шляхами:

– примусовим охолодженням відливки після її вилучення з форми при температурі 800... 850 °С за допомогою спеціального спрейєра;

– постановкою металевого холодильника в стержень;

– постановкою трубчатого охолоджуючого елемента;