CC BY
104
ISSN 1992-6502 (P ri nt)_
2014. Т. 18, № 1 (62). С. 27-31
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.74:669.13
Дефектообразование в деталях чугунных стеклоформ
и меры борьбы с преждевременным выходом их из строя
1 2 и. о. Леушин , д. г. Чистяков
1 igoleu@mail.ru, 2 chistyakov.nstu@bk.ru
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева» (НГТУ)
Поступила в редакцию 11.12.2013
Аннотация. Статья посвящена деталям стеклоформ, которые эксплуатируются в сложных термомеханических условиях. Основными причинами выхода их из строя являются рост материала металлического изделия, окисление контактирующих поверхностей и трещинообразование в местах интенсивного теплообмена. Изучение механизмов образования данных дефектов в теле детали и методов борьбы с их образованием позволит создать структуру материала детали с высокой термостойкостью и увеличить ресурсоспособность формовых комплектов на производственных линиях.
Ключевые слова: стеклоформа; чугун; расплавленное стекло; температура; термостойкость; окисление; микротрещина.
Высокий рост инновационных технологий в зарубежных странах существенно предопределил отставание отечественной промышленности, изготавливающей металлоизделия для собственного потребления. В этой связи часть российских заводов стекольной промышленности нацелилась на потребление зарубежных аналогов металлоизделий такого типа. В наибольшей степени процедура импортозамещения затронула металлические формовые комплекты, применяемые для изготовления стеклоизделий. Основным требованием к деталям данного типа является удовлетворение условию по эксплуатационной стойкости, формируемой высокими показателями детали по ростоустойчивости, трещино- и окалиностойкости (рис. 1).
Эксплуатация деталей стеклоформ осуществляется в циклическом режиме «расплавленное стекло ^ воздух» по принципу открытия-закрытия с интервалом 0,3... 2,0 с на операцию в зависимости от литража и требований по толщине стенки стеклоизделия. В течение одного цикла стеклоформа заполняется расплавленным стеклом (с температурой 950.1200 °С), осуществляется выдувание стеклоизделия, металлическая форма раскрывается для извлечения стеклянной тары и закрывается для принятия новой порции расплавленного стекла. При таком принципе эксплуатации детали, когда в условиях циклических смен температур и сред с различным химическим составом и агрегатным состоянием
протекают физико-химические процессы в граничном слое контактирующих поверхностей, происходят структурные изменения в теле изделия и, как следствие, нарушается целостность рабочей поверхности стеклоформы, приводящая к ее преждевременному снятию с производственной линии.
Рис. 1. Требования к деталям стеклоформ
Мониторинг стекольных промышленных заводов1 Поволжья и западной России показал, что основными причинами выхода из строя деталей стеклоформ являются:
1 ООО «Красное Эхо» (Владимирск. обл.); ОАО «Бе-резичский стекольный з-д» (Калужск. обл.); ООО
«Каменский стеклотарный з-д» (Ростовск. обл.); ООО «ЧСЗ-Липецк» (Липецк. обл.).
• рост чугуна и, как следствие, выкрашивание графитовой фазы с рабочих поверхностей детали и ее выгорание под действием высоких температур, что, в конечном счете, обуславливает появление рельефности на выпускаемых стеклоизделиях;
• микротрещины в зонах максимального теплового удара, затрудняющие съем готового стеклоизделия с формокомплекта и приводящие к появлению дефектов в виде приливов на изготовленной стеклянной таре;
• окисление поверхностных слоев, провоцирующее искажение геометрии стеклофор-мующего комплекта и усиливающее процесс адгезии между расплавленным стеклом и стенками металлической формы, что обуславливает увеличение силы трения на границе «расплавленное стекло - металлоформа», создающей ускоренный абразивный износ контактных поверхностей.
Описанные выше дефекты в детали представлены на рис. 2.
«Матовая» поверхность
Рис. 2. Причины выхода из строя деталей стеклоформ, х12
Анализ вышедших из строя деталей стекло-форм показал, что выгорание углерода в ходе роста материала изделия создает матовость на рабочих поверхностях детали (наиболее часто встречаемый вид выбраковки), что в свою очередь сказывается на качестве получаемых стек-лоизделий, в результате чего детали формующего комплекта отправляются в ремонт (переполировку) или брак. Ремонтопригодность стек-лоформ, снятых с производственной линии по причине «сгорания» формокомплекта, определяется степенью износа кромок детали и в большинстве случаев детали не подлежат повторному использованию.
При термоциклировании в температурном интервале выше а-^у превращения происходит
не только увеличение в объеме высокоуглеродистых включений за счет процессов графити-зации, но и их коалесценция, при этом в частях детали стеклоформы с относительно крупными включениями (внутренние слои) происходит лишь незначительный прирост объема графитовых зерен и перераспределение перлита. Прирост графитовых включений после термоциклического нагружения деталей стеклоформ показан на рис. 3.
б
Рис. 3. Величина графитовых включений в поверхностном слое детали стеклоформы, х100: а - перед эксплуатацией; б - после 300 000 циклов
Второй причиной выхода из строя деталей стеклоформ является появление микротрещин на рабочих кромках изделий. Образование трещин в деталях такого типа объясняется тем, что в течение эксплуатационного периода в стекло-форме происходит накопление напряжений растяжений и сжатий, вызываемых неравномерной температурной деформацией детали из-за формирования неоднородного температурного поля по сечению стеклоформы. При скоростном циклическом воздействии в толще детали возникают остаточные напряжения (сжатий и растяжений), которые и обуславливают накопление деформаций и напряжений в металлоизделии. В этих условиях происходит разрушение детали (появление микротрещины) - достижение мате-
риалом детали предельных степеней деформации и напряжений [1].
Однако величины напряжений и деформаций зависят от структуры материала и термических условий эксплуатации детали. При этом очевидно, что детали стеклоформ работают в скоростном режиме «открытия-закрытия», при котором формирование трещин происходит в результате больших нагружений и малой деформации конструкции формового комплекта.
Третьей причиной, приводящей к досрочному выходу из строя деталей стеклоформ, является интенсивное окисление рабочих поверхностей. С ростом температуры детали окисление поверхностей происходит с большей скоростью, что обуславливает высокий уровень износа, сопровождающийся прежде всего отслаиванием образующихся окисных плен и проникновением атомов кислорода в толщу металлоформы (по границам межфазных поверхностей). Механизм образования окисных слоев в процессе эксплуатации стеклоформ - достаточно трудноотсле-живаемый процесс, сопровождающийся большим числом химических реакций на поверхности расплавленного стекла (имеющего в своем составе окислы SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, Fe2O3, SO3 и др. компоненты [4]) с метал-лоформой и изменением течения этих химических реакций с увеличением температуры на границе «стеклоформа - жидкое стекло».
Высокая степень износа формующих комплектов предопределила меры борьбы с их выбраковкой. В настоящее время основными мерами борьбы с имеющимися видами дефектов являются:
1. Упрочнение рабочих кромок изделия с целью повышения износостойкости и окалино-стойкости детали. Из ряда известных методов увеличения сопротивления абразивному износу путем поверхностной обработки деталей стек-лоформ (хромирование, поверхностная закалка и т. д.) наибольшую эффективность показал метод газовой наплавки никелевого порошка (nickel deposition). Однако помимо большого преимущества этого метода по сравнению с остальными, заключающегося в большей ремонтопригодности стеклоформы (неоднократная «реставрация» детали позволяет экономить на производстве новых формовых комплектов), имеются существенные недостатки, «перекрывающие» эффективность метода [2]:
• сильное выгорание углерода и поверхностных легирующих элементов;
• наличие микротрещин в наплавляемом слое;
• присутствие газовых пор;
• незначительная производительность.
При этом данный способ повышения «живучести» формовых комплектов на производственных линиях является наиболее приемлемым с позиции снижения себестоимости производства готовой детали и литейные комбинаты, производящие стеклоформующие комплекты, не готовы отказаться от данной процедуры.
Однако решение проблемы, связанной с повышением прочностных характеристик детали, создает дополнительные трудности относительно борьбы против коррозии чугуна. Это связано с тем, что по отношению к чугуну никелевое покрытие является катодным, при этом катодные покрытия могут служить надежной защитой от коррозии только при отсутствии в них пор, трещин и других дефектов, то есть при условии их сплошности. При повреждении покрытия или наличии пор возникает коррозионный элемент, в котором чугун служит анодом и растворяется, а материал покрытия - катодом, на котором идет процесс или восстановления водорода, или ионизации кислорода. Окисление поверхностей деталей стеклоформ при их эксплуатации происходит не равномерно: сначала окисление идет в местах наиболее интенсивного теплообмена и трения между металлоформой и стекломассой (так называемое точечное окисление). Однако помимо этого при эксплуатации детали происходит окисление при соприкосновении расплавленного стекла с формой в местах отложения частиц закристаллизовавшегося стекла [3]. Типичная схема окисления детали стеклоформы упрочненной никелевой наплавкой при возникновении дефектности в никелевом покрытии представлена на рис. 4.
2. Легирование расплава чугуна карбидооб-разующими и окалинозащитными элементами, способными как повысить прочность изделия и снизить рост чугуна (за счет внедрения в металлическую матрицу мелких включений сложно-легированных карбидов), так и создать сложную оксидную пленку из двойных окислов шпи-нельной структуры с малым параметром решетки (например, FeCr2O4, FeAl2O4, NiFe2O4, М^^) [4]. Наибольшую популярность среди заводов-изготовителей стеклоформ получили добавки &, ^ и Мо в качестве карбидообра-зующих элементов, и Si, Al, №, &, ^ - для замедления процессов окисления, используемые, как правило, в комплексе.
3. Структурирование детали посредством изготовления литой заготовки с заданной микроструктурой чугуна, обуславливаемой необходимой металлической матрицей (феррит или аустенит) и состоянием графитовой фазы (ша-
ровидная, вермикулярная или пластинчатая форма).
Рис. 4. Схема коррозии чугуна в расплавленном стекле при нарушении сплошности никелевого покрытия [3]: 1 - система цикла «расплавленное стекло - воздух»,
2 - никелевое покрытие,
3 - деталь стеклоформы, 4 - дефект в покрытии
На основании этого в последнее время среди исследователей произошло разделение по направлениям решения задач, связанных с повышением эксплуатационной стойкости таких деталей:
• тепловой подход, в котором исследуются: способность отдельных структурных компонентов стеклоформы отводить излишки тепла от внутренних кромок, проблема излишней аккумуляции тепла на границе стеклоформы с расплавленным стеклом и др. [5];
• физико-химический подход, в котором исследуются: механизм образования защитных окислов на поверхности детали; химическая стойкость металлической основы чугуна; молекулярное взаимодействие внутри системы «стеклоформа - жидкое стекло» и др. [6];
• подход, служащий источником исследования прочностных и механических характеристик стеклоформ, в котором изучаются: кинетика нагрузок стеклоформы при выдуве жидкого стекла, трение расплавленного стекла о поверхность внутренней полости стеклоформы, механизм выкрашивания структурных элементов при ударных нагрузках, упрочнение внутренних кромок изделия физическими методами воздействия и др. [7].
Таким образом, сложившаяся тенденция в повышении эксплуатационного ресурса деталей стеклоформ сводится к совершенствованию химического и фазового состава материала изделия и упрочнения поверхностей, контактирующих с расплавленным стеклом. Однако универсальной схемы, способной совершить значительный прорыв в области повышения ресурсо-способности деталей стеклоформ и кардинально изменить ситуацию на внутреннем рынке стра-
ны по повышению конкурентоспособности отечественной металлопродукции, не существует. Такое положение вещей генерирует все новые подходы и методы совершенствования структуры материала литых деталей стеклоформ и порождает эффективные способы удешевления производства и ремонта деталей при наращивании ресурса эксплуатации металлоизделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ковалевич Е. В., Баранов Б. С., Урин С.Л, Пантелеева А. В., Дубов А. А., Собранин А. А. Исследование напряжений в изложницах методом магнитной памяти металла // Литейщик России. 2011. № 10. С. 21-24. [ E. V. Kovalevich, B. S. Baranov, S. L. Urin, A. V. Panteleeva, A. A. Dubov, and A. A. Sobranin, "Research of a tension of molds by method of magnetic memory of metal," Liteishik Rossii, vol. 11, pp. 21-24. 2010. ]
2. Библиотека технической литературы. Наплавка деталей твердыми сплавами: cайт-справочник [Электронный ресурс]. URL: http://www.delta-grup.ru/bibliot/3/190.htm (дата обращения: 25.03.2013). [ Library of technical literature [Online], (in Russian). Avaliable: http://www.delta-grup.ru/ bibliot/3/190.htm ]
3. Мальцева Г. Н. Коррозия и защита оборудования от коррозии: учеб. пособие / под ред. С. Н. Виноградова. Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2000. 55 с. [ G. N. Maltseva, Corrosion and protection of the equipment against corrosion, (in Russian). Penza: Publishing Penza State University, 2000. ]
4. Бобро Ю. Г. Легированные чугуны. М.: Металлургия, 1976. 288 с. [ U. G. Bobro, Alloyed cast irons, (in Russian). Moscow: Metallurgiya, 1976. ]
5. Александров М. В. Изготовление деталей стекло-форм из чугуна с вермикулярным графитом // Литейщик России. 2012. № 7. С. 22-25. [ M. V. Alexandrov, "Manufacture of details glass-molds with compacted graphite iron," (in Russian), Liteishik Rossii, vol. 7, pp. 22-25, 2012. ]
6. Волчок И. П., Колотилкин О. Б. Чугуны для стекло-формующего инструмента // Литейное производство. 1988. № 11. С. 14-15. [ I. P. Volchok and O.B. Kolotilkin, "Cast irons for glass forming tool," (in Russian), Liteynoe Proizvodstvo, vol. 11, pp. 14-15, 1988. ]
7. Шлегель А. Н. Повышение стойкости рабочих кромок чугунных стеклоформ на основе лазерного непрерывного упрочнения: автореф. дис. ... канд. техн. наук / ГОУ ВПО «ВГУ». М., 2011. 20 с. [ A. N. Schlegel, Increase of working edges of cast-iron glass-molds on the basis of continuous laser hardening: Avtoreferat dissertation cand. tech. sciences, (in Russian). Moscow: GOU VPO VSU, 2011. ]
ОБ АВТОРАХ
ЛЕУШИН Игорь Олегович, проф. каф. металлург. технологий и оборуд. Дипл. инж. по машинам и технол. литейн. пр-ва (ГПИ, 1985). Чл.- кор. Рос. акад. инж. наук. Д-р техн. наук (НГТУ, 1996). Иссл. в обл. автоматиз. технол. подг. загот. производств машиностроения.
ЧИСТЯКОВ Дмитрий Геннадьевич, асп. каф. металлург. технологий и оборуд. М-р техн. и технол. по металлургии (НГТУ, 2011).
METADATA
Title: Defect formation in the details of the cast-iron glass-molds and ways of against their premature exit out of operation.
Authors: I. O. Leushin and D. G. Chistyakov.
Affiliation: Nizhny Novgorod State Technical University (NSTU), Russia.
Email: chistyakov.nstu@bk.ru.
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 18, no. 1 (62), pp. 27-31, 2014. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: The given article is devoted details of glass-molds, which are operates in difficult thermo-mechanical conditions. The main reasons for their exit out of operation are growth of the material of the metal product, oxidation of contacting surfaces and a crack-formation in the areas of intensive heat exchange. Studying of way of formation of these defects in a body of the detail and methods of fight against their formation will allow to create structure of a material of the detail with the high thermal stability and to increase a resource of work of shaped sets on production lines.
Key words: glass-mold; cast-iron; melted glass; temperature; thermal stability; oxidation; microcrack.
About authors:
LEUSHIN, Igor Olegovich, Prof. Dept. "Metallurgical technologies and equipment" (NSTU). Dipl. - ing. spec. "Machines and technology of foundry production" (GPI, 1985). Member - Correspondent of the Russian Academy of Engineering Sci., Dr. of Tech. Sci. (NSTU, 1996). CHISTYAKOV, Dmitry Gennad'evich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. "Metallurgical technologies and equipment" (NSTU), Master of Technics & Technology (NSTU, 2011).
