Конструирование литых автомобильных деталей из высокопрочного чугуна

УДК 620.1

КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ

ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

1 ? ^ А.А. Гетьман , А.В.Васильева , В.А.Иванова

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, 55/1

Предлагаются научно-обоснованные рекомендации по конструированию литых деталей из конструкционного материала - высокопрочного чугуна в автомобильных узлах - двигателях, трансмиссиях (шестерни, зубчатки и картера ведущих мостов), подвесках, тормозах и рулевом управлении, коленчатых валов.

Ключевые слова: высокопрочный чугун с шаровидным графитом, временное сопротивление, относительное удлинение, износостойкость, кристаллизация, усадочная пористость, трещины.

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 чу-гунов 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 жид-котекучести, 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-

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 ядернотопливных стержней. Литые контейнеры из ВЧ выдержали исключительно жесткие и тяжелые испытания, имитирующие условия дорожно-

транспортных 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 (ов = 900 - 1300МПа, 5 = 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 -«К2» и коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений, влияние размеров детали и ее поверхности «К3». При определении первого из них следует учитывать, что разброс экспериментальных данных по усталости подчиняется нормальному закону распределения. Тогда величина коэффициента К2 представляет собой отношение логарифмов максимальной долговечности, полученных при испытании партии однотипных литых деталей.

Рассчитан также коэффициент К3 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 ов и 5 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-

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 2- 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 2 - 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 2-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%.

Литература

1. Конструирование литых деталей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Министерство станкостроительной и инструментальной промышленности. М. 1981.

2. Гетьман А.А. Качество и надежность чугунных отливок. Изд. машиностроение. Л. 1970.

3. Гетьман А.А. Вопросы методологии конструирования литых деталей. Ж. Судостроение. 1985. №12.

4. Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н. , Горенко В.Г., Вареник П.А. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. К. Наукова думка. 1986.

5. Гетьман А.А. Научные основы конструирования литых деталей. ВМИИ, СПБ, 2006

1 Гетьман Анатолий Антонович, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РИА, почетный работник высшего образования России, доктор технических наук, профессор. Адрес: Санкт-Петербург, ул. Стойкости д. 29 корп.2 кв.68; тел. (812)759-57-47. e - mail:

a. a. getman@,mail. ru

2 Васильева Анна Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ. Адрес: Санкт-Петербург, Дунайский пр. д.34/16 кв.4; тел. (812)366 -0207; e - mail: vasilevaav@,list.ru

3 Иванова Вероника Анатольевна, преподаватель кафедры материаловедения и химии Военноморского инженерного института. Адрес: Санкт-Петербург, ул. Стойкости д. 29 корп.2 кв.68; тел. (812)759-57-47.