Проведено компьютерное моделирование кристаллизации отливок втулок цилиндров судовых дизелей большой мощности в соответствии с действующей технологией их получения, на основании которого сделаны рекомен-дации по совершенствованию техпроцесса.

В настоящее время отливки втулок гильз цилиндров судовых дизелей большой мощно-сти в ЗАО «УК «БМЗ» изготовляют из специального серого низколегированного чугуна марок PVA, «Таркаллой», «Таркаллой С». Толщина стенок таких отливок достигает 151 мм, длина – 3 м, масса составляет от 3000 до 7500 кг. Отливки втулок изготовляются в моноформах из двух половинок (по высоте отливок), получаемых шаблонной заточкой из песчано-шамотной смеси (рис.1). Такие формы не имеют равномерной плотности и имеют в разных частях разную толщину смеси, поэтому обладают неравномерной теплопроводностью, что не обеспечивает равномерный отвод тепла по высоте и всей по-верхности отливок.

Анализ данных о браке отливок втулок, изготовленных в ЗАО «УК «БМЗ» за ряд лет, показал, что по рыхлоте и гидротечи брак достигал 20%. В связи с этим появилась необходимость проведения анализа и оптимизации существующей литейной технологии.

Исследования показывают, что на формирование микроструктуры и свойств чугуна массивных отливок типа втулок влияет множество факторов [1], характер и степень влияния которых можно адекватно оценить только методами компьютерного моделирования.

С целью установления влияния химического состава на структурное строение и свойства чугуна отливок втулок провели регрессионный анализ свойств отливок втулок, химический состав которых находится в допустимых техническими условиями пределах. В результате получили математические зависимости. На их основе определили, что при среднем химическом составе втулочного чугуна не обеспечиваются требуемые механические свойства и структура отливок втулок.

Варьирование только химического состава не решает данной проблемы, так как в усло-виях производства он может быть разным в каждой отливке. Поэтому возникла необходи-мость разработать и апробировать в условиях производства и другие способы управления структурой и свойствами втулочного чугуна.

Существенное влияние на механические свойства втулочного чугуна, особенно на его прочность, оказывает наличие в его структуре пористости, которая зависит в значительной степени от жидкотекучести и усадки чугуна. Усадочная пористость зависит от многих факто-ров, однако применительно к втулочному чугуну, как показывают исследования, – в основ-ном от химического состава и режима затвердевания металла в форме. Существующая техно-логия приводит к малой скорости затвердевания при малом температурном градиенте отливки в форме.

Длительная кристаллизация жидкого чугуна отливки втулки и последующее её очень медленное охлаждение до выбивки из формы (в течение 15-20ч) приводит к формированию в ней крупнозернистой структуры, неблагоприятной формы включений графита (в виде круп-ных веток), образованию усадочных пор, снижающих прочность металла.

С учётом изложенного проведено компьютерное моделирование охлаждения и затвер-девания отливки втулки ДБ72 в существующей форме по действующему техпроцессу с ис-пользованием программы Solid Cast. Данная отливка изготовляется в соответствии с ТУ из специального низколегированного серого чугуна марки «Таркаллой C» (прочность металла >= 250 МПа, толщина стенок – от 76 до 131 мм, масса – 3700 кг). Для повышения точности моделирования по специально разработанной нами методике определены основные теплофизические свойства втулочного чугуна и различных составов форм.

По результатам моделирования ярко выраженных концентрированных усадочных рако-вин, выходящих за пределы прибыли отливки, выявлено не было. Однако наблюдаются де-фекты, предположительно в виде пористости, на границе перехода от массивного к более тонкостенному сечению (рис.2). Для уточнения возможных причин брака рассмотрели до-полнительные расчётные параметры.

Согласно рис.3, наиболее высокая скорость охлаждения достигается в местах проста-новки холодильников, однако между холодильниками скорость охлаждения значительно ниже, т.е. в этих местах образуются локальные тепловые узлы, где кристаллизация происходит позднее. Можно предположить, что обнаруживаемое при контроле образование мелких пор и раковин, выходящих на внутреннюю поверхность отливки втулки, связано с возникновением таких зон.

Время затвердевания металла отливки позволяет проследить динамику процессов затвердевания в отливке и локализовать изолированные зоны расплавленного металла. Из рис.4 видно, что металл в районе нижнего ряда холодильников полностью кристаллизуется через 160 мин после начала заливки, а массивная часть, через которую происходит питание этого участка, – уже через 30 мин.

Это свидетельствует о наличии изолированных объёмов жидкого металла в процессе кристаллизации (рис. 5). Можно предположить, что жидкая фаза в районе нижнего ряда хо-лодильников способна привести к появлению небольших раковин или пористости в теле отливки.

Для выяснения эффективности работы холодильников и их влияния на процесс кристаллизации проведено моделирование процесса кристаллизации отливки втулки без холодильников.

Такое моделирование показало, что ярко выраженные дефекты, такие как усадочные раковины и пористость, выходящие за пределы прибыли, отсутствуют. Однако кристаллизация отливки в её подприбыльной части будет проходить в этом случае в последнюю очередь. Так, из рис. 6 видно, что примерно через 500 мин после начала заливки твёрдо-жидкая фаза сохраняется в подприбыльной части отливки. Это может приводить к образованию в данной зоне дефектов в виде пористости и рыхлот.

Итак, большая масса отливок втулок и разные теплофизические свойства формы по её длине обусловливают разную скорость кристаллизации в разных частях отливки. Это при-водит к формированию неравномерной структуры графита и металлической основы в разных частях отливки втулки. В процессе кристаллизации наблюдаются изолированные объёмы жидкого металла, что свидетельствует о неэффективной работе прибыли отливки. В резуль-тате в рабочей зоне втулки образуется усадочная пористость и рыхлота, чему дополнительно способствует и простановка мощных холодильников в некоторых зонах формы, поэтому не-обходимо изменять технологию получения отливок втулок в следующих направлениях:

• Внедрение технологии регулируемого охлаждения за счёт стопочной формовки, при которой форма состоит из отдельных частей с разными теплофизическими свойствами по высоте отливки (теплоаккумулирующие, формирующие прибыль отливки; захолаживающие, формирующие место отрезки кольца на механические испытания, и т.п.), это позволяет со-кратить время процесса охлаждения и затвердевания металла и обеспечить направленное за-твердевание отливки благодаря набивке разных частей формы различными формовочными смесями. Созданный температурный градиент по высоте отливки позволяет вытеснить уса-дочную рыхлоту из рабочей части отливки в прибыльную. Увеличение тепловой активности стержня позволяет сместить тепловую ось, т.е. место образования пористости, из рабочей зо-ны (внутренняя поверхность) в центр отливки.
• Внедрение технологии суспензионной заливки позволяет резко сократить стадию снятия перегрева, повысить эффективность модифицирования и воздействовать на кристал-лизацию отливки путем измельчения структуры. Важной особенностью суспензионной за-ливки является то, что она практически полностью подавляет процесс образования пористо-сти и рыхлоты в отливке.
• Совмещение стопочной формовки и суспензионной заливки позволяет использовать преимущества обоих способов.
• Внедрение технологии центробежной заливки и кристаллизации отливок во вра-щающейся металлической форме способствует радикальному изменению условий кристалли-зации отливок втулок и формированию в них микроструктуры, обеспечивающей высокие ме-ханические свойства чугуна.

Список литературы

• 1. Чугун: справочник / А.Д. Шерман, А.А. Жуков, Э.В. Абдуллаев, И.О. Пахнющий; под ред. А.Д. Шермана, А.А. Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 574 с.