Increase of strength of cast-iron cylinder liners of engines of road construction vehicles

Abstract


Cylinder liners made of gray cast iron are quite widespread in the design of engines of road construction vehicles. The negative properties of this structural material include relatively low strength and high fragility. This increases the probability of both manufacturing and operational defects. Therefore, improving the performance of the considered parts is an urgent problem. A promising direction in this case is the use of chemical-and-thermal treatment. The aim of the work is to study the effect of chemical-and-thermal treatment of gray cast iron on strength. The paper investigates the strength of cast iron subjected to chemical-and-thermal treatment (thermal diffusion surface alloying). On the basis of experimental studies, the effect of the thickness of the hardened layer on the strength was studied. A numerical model is created in the Ansys software. The effect of the hardened layer on the strength of cylinder liners of engines of road-building vehicles is investigated.

Full Text

Введение В конструкциях строительно-дорожных машин достаточно широкое применение получил серый чугун (доля чугунных деталей в общей массе некоторых машин достигает 60%). Из данного материала изготавливаются блоки цилиндров, детали тормозных систем, маховики, головки цилиндров, гильзы, распределительные и карданные валы, корпусные детали и т.д. Также чугуны используются и для изготовления деталей навесного оборудования (рабочие тела шаровых и стержневых мельниц, износостойкие накладки на отвалы и ковши, армирующие вставки для зубьев ковшей и т.д.). В зависимости от условий работы детали к материалу могут предъявляться различные требования, например, для кулачков и высоконагруженных валов чугуны легируют молибденом, хромом или никелем, что дает возможность произвести закалку детали. В случае интенсивного тепловыделения или больших перепадов температур (барабаны, тормозные диски и т.д.), поверхностный слой чугунных деталей склонен к появлению поверхностных трещин, поэтому структура поверхностного слоя должна быть перлитной с шаровидным графитом. Довольно распространенным решением, которое используется в двигателях строительно-дорожных машин, являются гильзы цилиндров из серого чугуна (например, 7406.1002021 или 7406.1002021-20). Среди негативных свойств данного конструкционного материала можно отметить сравнительно низкую прочность и высокую хрупкость. Это повышает вероятность возникновения как производственных, так и эксплуатационных дефектов. Поэтому повышение эксплуатационных характеристик рассматриваемых деталей является актуальной проблемой. Перспективным направлением в данном случае является использование химико-термической обработки. Однако традиционные методы упрочнения [1-13] не позволяют эффективно увеличивать прочность чугуна. Способ термодиффузионного поверхностного легирования [14] позволяет получать на поверхности чугуна слой толщиной до 3 мм (см. рис. 1). Наличие слоя с такой толщиной уже может оказывать значимое влияние на прочность деталей из чугуна. При этом широкие возможности дает использование метода конечных элементов для изучения механических свойств. Однако с учетом неравномерность свойств упрочненного слоя и обратный характер распределения твердости [14]: твердость по глубине упрочненного слоя возрастает возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований для получения исходной информации при построении конечно-элементных моделей. Рис. 1. Образец с упрочненным слоем Целью работы является исследование влияния химико-термической обработки серого чугуна на прочность. Методы и материалы Определение граничных условий выполнялось экспериментально на прессе П-150М с максимальным усилием сжатия 15 тонн. Использовались образцы из серого чугуна марки СЧ-20 ГОСТ 1412-85 без упрочнения и с упрочнением в контакте с оксидами железа, хрома и молибдена. Использовались образцы цилиндрической формы диаметром 15 мм. Пример разрушенного образца приведен на рис. 2. Рис. 2. Разрушенный образец Рис. 3. Расчетная модель Для исследования влияния толщины слоя на прочность образца использовался программный пакет Ansys [15, 16]. Пример модели приведен на рис. 3. Был выполнен полный факторный эксперимент [17, 18]. В качестве факторов рассматриваются диаметр образца и толщина упрочненного слоя (см. таблицы 1 и 2). Таблица 1 Уровни варьирования факторов Уровень Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов d, мм g, мм Нижний -1 10 1 Верхний +1 40 3 Основной 0 25 2 Интервал варьирования 1 15 1 Таблица 2 Значения толщины упрочненного слоя при взаимодействии основы чугуна с оксидами легирующих элементов Номер опыта y σb, МПа 1 y1 977 2 y2 378 3 y3 630 4 y4 132 5 y5 735 6 y6 305 7 y7 924 8 y8 351 9 y9 536 Результаты и их обсуждение В результате экспериментальных исследований была получена зависимость предела прочности образцов с упроченным слоем, представленная на рис. 4. Рис. 4. Зависимость предела прочности образца В результате расчетов были получены следующие зависимости для определения предела прочности в зависимости от диаметра образца и толщины упрочненного слоя: . На рис. 5 приведен пример исследования прочности и жесткости гильз цилиндров, изготовленных из серого чугуна без упрочнения и с упрочнением. В качестве нагрузки рассматривается усилие запрессовки гильзы, которое определяли согласно рекомендациям технической литературы [19, 20]. Заключение Анализируя данные на рис. 4, можно сделать вывод, что использование термодиффузионного поверхностного легирования дает возможность повысить прочность образцов более чем в 2 раза. В результате планирования была получена зависимость предела прочности от диаметра детали и толщины упрочненного слоя, которая в дальнейшем может быть использована при конструировании изделий. Исследования прочности и жесткости гильз из серого чугуна СЧ-20 с упроченным слоем показали, что имеется возможность повысить их прочность более чем на 60% и жесткость более чем на 40%. Рис. 5. Результат определения напряжений в гильзе из серого СЧ20 чугуна с упрочнением

About the authors

V. E Ovsyannikov

Kurgan State University

Email: vik9800@mail.ru
Kurgan, Russia
PhD in Engineering

G. N Shpitko

Kurgan State University

Email: vik9800@mail.ru
Kurgan, Russia
PhD in Engineering

R. Yu Nekrasov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Industrial University of Tyumen”

Email: syncler@mail.ru
Tyumen, Russia
PhD in Engineering

D. E Vas'kov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Industrial University of Tyumen”

Email: syncler@mail.ru
Tyumen, Russia

References

  1. Майоров В.С., Майоров С.В. Закалка чугунных деталей излучением твердотелого лазера // Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 3. С. 6-8.
  2. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972. 400 с.
  3. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Структура электролитических покрытий. М.: Металлургия, 1989. 136 с.
  4. Эдигаров В.Р., Алимбаева Б.Ш., Перков П.С. Комбинированная обработка электромеханоультразвуковая поверхностных слоев деталей машин // Научный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ". 2017. № 7. С. 42-47.
  5. Коротаев Д.Н., Иванова Е.В. Особенности формирования функциональных покрытий при электроискровом модифицировании металлических материалов // Научный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ". 2017. № 3. С. 62-68.
  6. Nisitani H., Tanaka S., Todaka T. Relation between microcrack and coaxing effect of aged 0,15% С steels after quenching at law temperatures // J. Soc. Mat. Sei Japan. 1980. No 26. P. 317.
  7. Cooper R.E., Rowlanel W.D., Beasley D. Atom. Weapons Res Estable // Atom Energy Auth Rept. 1971. P. 32-36.
  8. Plenard Е. Cast iron domping capacity, structure and property relation // Modern Castings. 1962. Vol. 41. P. 14-26.
  9. Gilbert G.N. Variation of the microstructure of flake graphite cast iron after stressing in tension and compression // BCJRA Journal. 1964. No 1. P. 18-25.
  10. S. Lampman. Introduction to surface hardening of steels // ASM Handbook. 1997. Vol. 4. P. 259-267.
  11. Ruglic T. Flame hardening // ASM Handbook. 1997. Vol. 4. P. 268-285.
  12. John C. Ion. Laser processing of Engineering Materials // Elsevier Butterworth-Heinemann. 2005. Vol. 2. P. 263-296.
  13. Rana J., Goswami G.L, Jha S.K, Mishra P.K, Prasad B.V. Experimental studies on the micro structure and hardness of laser - treated steel specimens // Optics and Laser Technology. 2007. No 39. P. 385-393.
  14. Гуревич Ю.Г., Овсянников В.Е., Фролов В.А. Влияние катализатора (железа) на взаимодействие оксидов с основой феррито-перлитного серого чугуна, обеспечивающее закалку и диффузионное легирование: монография. Курган. 2013. 102 с.
  15. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
  16. ANSYS. Commands Reference. Rel. 11 / ANSYS Inc. Houston, 2006.
  17. Некрасов В.И., Шпитко Г.Н., Иванов И.А. Одно- и многофакторные эксперименты. Планирование и обработка результатов: учебное пособие. Курган, изд-во КГУ, 2012. 232 с.
  18. Некрасов В.И. Многофакторный эксперимент: Планирование и обработка результатов: учебное пособие. Курган, изд-во КГУ, 1998. 146 с.
  19. Карагодин В.И., Митрохин Н.Н. Ремонт автомобилей и двигателей. М.: Академия, 2002. 496 с.
  20. Зорин В.А. Технология машиностроения, производство и ремонт подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин. М.: Академия, 2010. 187 с.

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 21

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Ovsyannikov V.E., Shpitko G.N., Nekrasov R.Y., Vas'kov D.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies