6. Совершенствование технологии отливки коленчатых валов

Модифицированные чугуны, которые имеют в состоянии отливки предел прочности на растяжение 390—500 МПа, после термической обработки могут иметь более высокие механичес­кие свойства, так как при этом снимаются внутренние напря­жения, возникающие при отливке. Однако, как показали спе­циальные исследования, значительное увеличение предела проч­ности чугуна влечет за собой ухудшение демпфирующих свойств вала и уменьшение сопротивляемости износу его шеек. Кроме того, с повышением прочности чугуна затрудняется получение отливки высокого качества.

Опыт применения чугуна с глобулярным графитом при от­ливке коленчатых валов тепловозных дизелей показал, что нормализация или закалка с последующим отпуском таких валов обеспечивает предел прочности на растяжение не менее 580 МПа. Коэффициент предела выносливости у натурных чу­гунных валов обычно больше, чем у стальных валов, но при испытании гладких лабораторных образцов с надрезами, т. е. с концентраторами напряжений, это соотношение имеет обрат­ное значение. Это наблюдается также и в том случае, когда сечения вала резко меняют свою форму, т. е. когда переходы в сечениях предотвращают возникновение резких повышений напряжений. Повышение концентраторов напряжений создают графитовые включения, которые могут быть представлены в виде острых кромок, влияние которых настолько велико, что наличие острых надрезов от следов механической обработки уменьшает свое влияние на понижение предела выносливости.

Испытания чугуна с глобулярным графитом (ВПЧ), приме­няющегося для отливки коленчатых валов тепловозных дизелей на производственных объединениях завода им. Малышева и

«Коломенский завод», позволили выявить влияние различия в технологии обработки чугуна на его химический состав, ми­кроструктуру и механическую характеристику.

Наибольшее значение для повышения предела выносливо­сти высокопрочного чугуна имеет технология обработки его магнием и термическая обработка. На производственном объе­динении завода им. Малышева ковш чугуна массой 4,5—4,8 т подается на тележке в камеру, где в него вводится магний. Продолжительность бурного реагирования чугуна с магнием продолжается 60—70 с. Затем чугун тщательно перемешивает­ся и заливается в формы. На производственном объединении «Коломенский завод» из-за малого объема ковша обработка магнием производится только ²/з объема плавки. При этом ковш с металлом поступает в специальную камеру и в него погру­жается, стальной колокол, в котором находится магний. Про­должительность этого процесса составляет 2—3 мин, после чего ковш подается к печи и в него выливается оставшаяся треть чугуна. Весь металл в ковше тщательно перемешивается и заливается в формы.

Как показали исследования, особенности технологии обра­ботки чугуна магнием оказывают значительное влияние на коагуляцию графита.

Процесс кристаллизации чугуна после его заливки в форму на обоих заводах происходит при вертикальном положении форм коленчатых валов, причем в верхней части формы нахо­дятся 11-<я и 12-я коренные шейки. Такое расположение вала приводит к различной скорости кристаллизации чугуна в верх­ней и нижней частях вала. Это подтверждается также тем, что предел прочности чугуна такого коленчатого вала имеет зна­чительное отличие в верхней и нижней его частях. Перепад предела прочности нижней и верхней частей вала составляет у валов производственного объединения завода им. Малышева 103 МПа. В нижней части вала чугун обычно прочнее. У чугу­на валов производства «Коломенского завода» эта разница в различных частях вала небольшая.

Среднее значение предела прочности чугуна в верхней части (в зоне 11-й и 12-й шеек) у коленчатых валов Коломенского завода выше, чем у валов завода им. Малышева, и составляет 234 МПа, т. е. выше почти в 1,5 раза. Это приводит к тому, что все коленчатые валы производства Коломенского завода по пределу прочности удовлетворяют требованиям технических условий (сСЗг450 МПа), в то время как 14% всех валов произ­водства завода им. Малышева имеют предел прочности меньше 450 МПа.

При изучении микроструктуры чугуна использовались об­разцы, вырезанные из натурных нетермообработанных валов и прошедшие механические испытания. При этом было устано­влено, что в чугуне валов Коломенского завода глобулярный графит очень неоднороден по размерам и неправильно распре­делен в металлической основе. Среди глобулей правильной формы имеется большое количество графита неудовлетвори­тельной формы и в виде очень мелких глобулей, расположен­ных в виде цепочек. Нередко встречается также пластинчатый графит в виде скоплений.

Некоторое различие в микроструктуре нетермообработан- ных чугунов коленчатых валов выпуска указанных заводов объясняется различием в химическом составе чугуна и ско­ростью его кристаллизации. У валов Коломенского завода чугун содержит углерода 3,5—3,8%, что ближе к верхней границе нормы технических условий (2,8—3,8%), в то время как у валов завода им. Малышева содержание его ближе к нижней границе допуска (2,8—3,1%).

Особенности технологии отливки чугуна для коленчатых валов и их термической обработки, принятые на производствен­ных объединениях завода им. Малышева и «Коломенский завод», приведены в табл. 11, а результаты металлографичес­ких исследований этих отливок даны в табл. 12.

При анализе технологических процессов изготовления коленчатых валов на этих заводах установлено также, что весь цикл термической обработки вала на производственном объединении завода им. Малышева продолжается 12 ч, при

Таблица 11

Показатели	Производственное объединение
	«’Коломенский завод»	завод им. Малышева
Предел прочности,
МПа:
низ по заливке	729	596
верх по заливке	727	493
Относительное удлине­
ние, %:	4,3
низ по заливке		1.7
верх по заливке	3,2	2,1
Термическая обработка	Нормализация при t =	Отпуск при t — 650°С
	=880-=-900°С;
	отпуск при ?=500-г-5505С	—
Обработка чугуна маг­	2/з объема плавки (ков­	Весь объем плавки при
нием	ша) под колоколом при	t = 1400°С в течение
	*=1390-f-1410°C в тече­	60-70 с
	ние 120 с
Отношение предела	0,97—1,0	0,83
прочности образца с над­
резом к пределу прочнос­
ти гладкого образца

Примечание. Техническими условиями на изготовление коленчатых валов предел прочности должен быть не менее 450 МПа, а относительное удлинение—1,0%.

этом продолжительность отпуска при температуре 650°С соста­вляет 3 ч (допускается проведение отпуска при температуре 600°С, но в течение 5 ч).

Коленчатые валы объединения «Коломенский завод» подвер­гают обязательной нормализации и отпуску по следующему режиму: загрузка валов в печь, нагретую до температуры 300°С; медленный нагрев (80°С в 1 ч) до температуры 600°С; выдержка при температуре 600°С в течение 2 ч; нагрев до тем­пературы (890°±10°С); выдержка при температуре 890°С в те­чение 5—6 ч; охлаждение в печи до 850°С; охлаждение на выведенной из печи платформе до температуры 300°С.

После окончания процесса нормализации валы подверга­ются отпуску по следующему режиму: посадка вала в печь, нагретую до 300°С; медленный нагрев до 500—550^СС (скорость нагрева — 80°С в 1 ч); выдержка при температуре 500—550°С в течение 5—6 ч; медленное остывание с печью до температуры 300°С (скорость остывания 50° в 1 ч); охлаждение на выве­денной из печи платформе.

Для оценки механических свойств высокопрочного чугуна коленчатых валов, изготовленных на указанных заводах, были взяты стандартные образцы, вырезанные непосредственно из этих валов. В результате статистической обработки результа­тов испытания образцов на механическую прочность чугуна, взятых от 100 валов, установлено, что предел прочности чугуна производства Коломенского завода несколько выше (на 180 МПа) предела прочности чугуна производства завода им. Малышева (рис. 12). Такое повышение предела прочности Ов способствует повышению предела выносливости a i коленча­тых валов.

Для чугуна с глобулярным графитом и перлитной структу­рой металлической основы соотношение — =0,39н-0,41. Если

о_в

воспользоваться этим соотношением, то предел выносливости чугуна производственного объединения «Коломенский завод» составляет 249 МПа, а производственного объединения завода им. Малышева 217 МПа. Эта разница может явиться объясне-

Таблица 12

Наименование	Химический состав, %
	С	S1	МП	S	Mg
Нормы по техническим условиям Коломенский завод* Завод им. Малышева**	3,8 3,5—3,8 3,1	1,8—2,4 1,7—2,1 2,1—2,7	0,5-0,9 0,82 0,73	Не ме­нее 0,03 0,014 0,016	0,025— 0,12 0,068 0,058

* Форма графита с разорванными краями. ** Форма графита круглая.

I cZ. L._w Л

359 419 m 539 5S9 B59 719 779 839 6_а,МПа

Рис. 12. Кривые распределения предела прочности высокопроч­ного чугуна коленчатых валов:

I — валы, изготовленные иа производственном объединении завода им .Малышева; 2 — валы, изготовленные на производственном объеди- нении «Коломенский завод»

нием того, что количество случаев разрушений коленчатых валов завода им. Малышева выше количества случаев разру­шений валов производства Коломенского завода, работающих на дизелях одного типа.

Приведенные сопоставления технологии производства чугу- нов двух заводов, их механические свойства и статистические данные о надежности коленчатых валов в эксплуатации, изго­товленных из этих чугунов, дают основание отдать предпочте­ние технологии, применяемой производственным объединением «Коломенский завод».