CC BY
215
♦ ♦ ♦
УДК 621.74:669.131 Леушин И.О., Чистяков Д.Г.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ЧУГУННЫХ СТЕКЛОФОРМ
Аннотация. В статье рассматриваются чугунные детали, применяемые для изготовления стеклотары, и процесс их эксплуатации на стекловыдувном автомате. Описываются факторы, влияющие на стабильность эксплуатации данных деталей и преждевременный выход их из строя. Найдены пути повышения ресурса их работы на производственной линии. Ключевые слова: чугун, стекло, стеклотара, стеклоформа, деталь, температура, теплообмен, структура, стойкость.
Тенденция современного материаловедения -создание деталей ответственного назначения с широким комплексом эксплуатационных свойств (прочность, теплопроводность, стойкость к агрессивным средам и т.п.), с наименьшей трудоемкостью их изготовления и минимально возможными затратами на исходные материалы и процесс формирования готового изделия. В этой связи в наиболее проигрышной позиции находятся детали стеклоформ, применяемые для массового выпуска стеклянных изделий на автоматах с двойным принципом выдувания стекла и эксплуатирующиеся в сложных термомеханических условиях, отягощаемых быстрой теплосменой в системе «расплавленное стекло—воздух». Усугубляет сложившуюся ситуацию и низкая конкурентоспособность отечественных «полуфабрикатов» деталей стек-лоформ и высокая степень их импортозамещения. Это обусловлено невысоким качеством выпускаемой продукции отечественными предприятиями и низкой эксплуатационной стойкостью формовых комплектов на производственной линии.
Главными точками преткновения отечественных разработок, касающихся деталей данного типа, являются изменение химического состава материала и внесение корректировок в конструкцию собранных формовых блоков (совокупностей деталей стекло-форм). Однако общемировая тенденция позволяет заключить, что на данный момент безальтернативным материалом для деталей стеклоформ является чугун, в связи с чем улучшение показателей эксплуатации деталей ведется именно на основе этого материала. Его популярность обусловлена рядом преимуществ перед своими аналогами (сталью, бронзой и пр.):
• относительно простой процесс его приготовления;
• недорогие шихтовые материалы;
• широкий спектр регулируемых свойств;
• высокие показатели технологических возможностей.
Вышеперечисленные преимущества позволяют иностранным аналогам продукции (за счет использования уникальных технологий производства и применения дешевых шихтовых материалов) вытеснять с внутреннего рынка страны детали отечественных производственников: западные образцы имеют более
высокий эксплуатационный ресурс (нередко стойкость форм превышает в 2-4 раза отечественные металлоизделия) и более низкую стоимость, что приводит к становлению российских деталей в ряд «неликвидов».
Анализ условий эксплуатации деталей на производственной линии позволил авторам установить, что основными факторами, влияющими на стойкость деталей стеклоформ, являются:
• в ыс о кая температура эксплуатации [ 1];
• высокая степень изменчивости структуры детали в процессе роста теплосмен [2].
Температура плавления тарного стекла в печи составляет около 1350-1500°С, а температура выпуска в черновые формы1 - более 1100°С (рис. 1). Приведенный на рис. 1 температурный интервал обусловлен влиянием температуры на ключевые показатели стекла: вязкость и поверхностное натяжение. От изменения этих показателей зависит скорость твердения стекломассы в чугунной форме (соответственно и структура стекла), равномерность его распределения по формообразующей поверхности черновой формы и, в конечно счете, потребительские свойства готового стеклоизделия. Таким образом, скорость твердения стекломассы определяется изменением вязкости с температурой и изменением температуры со временем (то есть скоростью охлаждения).
1250-1450'С Г
1200-1400"С
стеклотары на этапе получения «пульки»
1 Металлические формы, в которых происходит формирование стеклянных изделий предварительных конфигураций («пульки»).
50
Теория и технология металлургического производства
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Эксплуатация деталей черновых стеклоформ осуществляется при температуре 750-900°С (температура выдува стекла - 900-1000°С), что является инициатором термической усталости материала детали и окисления ее рабочих поверхностей. Это, в свою очередь, благоприятствует отслаиванию графитовых включений в поверхностных слоях, проникновению в освобожденные микрообъемы атомов кислорода, «вспучиванию» отдельных микроплощадей (выкрашивание графита) и возникновению трещин разгара в местах интенсивного тепломассообмена.
Одним из факторов качественного формообразования стеклянного изделия выступает поверхностное натяжение: влияние поверхностных сил на процесс формования возрастает с уменьшением вязкости стекла и размеров формуемых изделий [3]. Важность данного фактора на эксплуатационную стойкость деталей обусловлена явлениями: смачивания расплавленным стеклом стенок черновых формокомплектов, адсорбции, а также действиями капиллярных сил и фрикционной стойкостью стенок к проявлению кристаллов твердых фаз в массе расплава стекла.
Поверхностное натяжение при падении температуры расплавленного стекла на 100°С изменяется в среднем на 2%, что не позволяет изменять температурный диапазон изготовления стеклотары на механизированном выдувном стеклоформующем автомате ВВ-7 (рис. 2) и исключает возможность стабилизации размеров, формы и формообразующих поверхностей деталей изменением данного фактора (температуры).
05
Ф Н О 05 ей I-
о
о ш
о
Температура
Рис. 2. Зависимость свойств стекла от температуры: 1 — внутренней энергии, энтальпии, энтропии, молярного объема; 2— вязкости, удельного электрического сопротивления; 3— температурных коэффициентов линейного и объемного расширений; 4 — теплопроводности; Ц-^ — аномальный интервал (550—700°С для тарного стекла) [3]
Вторым комплексом факторов, оказывающих существенное влияние на стойкость формовых комплектов, являются: высокотемпературная аберрация структурных включений (проявляющаяся, в первую очередь, в искажении феррит-перлитных зерен в поверхности контакта «стекломасса-деталь») и сегрегация высокоуглеродистой фазы в этом пограничное слое с ростом
числа теплосмен. Формирование данных процессов способствует созданию «промежуточных структур», влияние которых обусловлено выделением графита эвтектики «железо-графит», коалесценцией выделившегося графита к сферолитам граничного слоя и трансформацией цементитной фазы (удельный объем цементита несравнимо меньше удельного объема продуктов его распада: 3.2^26.6 см3 в перерасчете на объем одной грамм-молекулы [4]).
Высокая степень активности структуры к трансформации в рабочем слое детали (за счет высокой гетерогенности строения граничных слоев) под влиянием циклических ударных нагрузок и пластических деформаций проводит к нарушению сплошности формообразующих поверхностей (трещинообразова-ние, выкрашивание крупных цементитных и графитовых включений и пр.) и, как следствие, выведению формового комплекта из режима эксплуатации. Именно стабильность структуры детали в процессе циклических воздействий высоких температур (и накопления напряжений в процессе роста теплосмен) оказывает решающее воздействие на стойкость деталей на линии.
Ввиду вышеописанного, авторы считают, что наиболее оптимальным вариантом, как с точки зрения получения долгосрочного экономического эффекта, так и с точки зрения сокращения продолжительности изготовления готовой детали, является формирование компактной или шаровидной формы графита исключительно в рабочем слое детали по технологиям «от-бел ^ отжиг» [5] (первый вариант) или «модифицирование ^ самоотжиг» (второй вариант).
Первый вариант может быть применен для изготовления деталей стеклоформ из ваграночного чугуна, когда не требуется учитывать варьирование химического состава расплава от плавки к плавке, а осуществлять сфероидизирующее модифицирование такого чугуна является экономически нецелесообразным (большое наличие серы). Применение высокотемпературного отжига (900-950°С) позволяет беспрепятственно получать «недоглобуляризованную» форму графита с минимальным количеством цементита и цементита ледебурита. Однако побочным эффектом такой технологии изготовления литых заготовок является формирование преимущественно перлитной металлической основы (особенно в рабочем слое) и присутствие мелкораздробленного цементита вторич-ного2.
Второй вариант изготовления отливок стекло-форм имеет более широкий диапазон использования, однако необходимыми критериями его применения являются: контроль химического состава выплавляемого чугуна (особенно элементов С, Si и Б), обеспечение точного дозирования сфероидизирующего и графитизирующего модификаторов и регулирование
2 Внедрение данной технологии было осуществлено в ОАО «ЛМЗ» (г. Семенов).
№1 (13). 2013
51
скорости затвердевания отливки в форме. Все вышеперечисленное позволяет получить, например, дифференцированный чугун (ВЧ—ЧВГ) с заданным размером зерна графита в феррит-перлитной металлической основе3. Использование дифференцирование чугуна как основы для регулирования прочностными и теплофизическими свойствами литой детали определяет диапазон возможностей для применения материала данного типа. В данном случае применение в деталях чугунов структуры типа ВЧ—ЧВГ или ВЧ—ЧВГ—СЧ позволяет создать высокоскоростной направленный теплоотвод излишек тепловой энергии с рабочих поверхностей стеклоформы без нарушения заданного структурного соответствия в каждом полученном слое (с шаровидным, вермикулярным или пластинчатым графитом) при эксплуатации формового комплекта.
Таким образом, в зависимости от выбранной схемы изготовления деталей стеклоформ («отбел — отжиг» или «модифицирование — самоотжиг») можно получить деталь с дифференцированной или градиентной структурой и определенными теплофизиче-скими параметрами для каждого типа деталей (вида стекловыдувного оборудования). В связи с этим предприятиями-бенефициарами могут быть как стек-
лотарные заводы, производящие в массовом порядке стеклотару (повышается эксплуатационная стойкость деталей в перерасчете на единицу продукции), так и литейно-металлургические комбинаты, поставляющие детали с повышенным запасом ресурса эксплуатации и соответственно наращивающие отпускную цену на свои металлоизделия.
Литература
1. Попов В.М., Коган Б.Л. Термостойкость чугунов с различной формой графита // Литейное производство. 1991. №2. С. 34.
2. Леушин И.О., Чистяков Д.Г. Влияние структурообразо-вания и фазового состава чугунных отливок стеклоформ на эксплуатационные свойства готовых изделий // Изв. вузов. Черная металлургия. 2013. №5. С. 19-23.
3. Гулоян Ю.А. Технология стекла и стеклоизделий. Владимир: Транзит-Икс, 2003. 480 с.
4. Болховитинов И.Ф. Металловедение и термическая обработка. М.: Машгиз, 1958. 430 с.
5. Жуков А.А. Высокопрочные чугуны и литые стали с мелкодисперсным компактным графитом // Литейное производство. 1996. №10. С. 11-13.
Сведения об авторах
Леушин Игорь Олегович - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». E-mail: igoleu@mail.ru
Чистяков Дмитрий Геннадьевич - аспирант ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». E-mail: chistyakov.nstu@bk.ru
♦ ♦ ♦
3 Внедрение данной технологии было осуществлено в ООО «MOLD TECH» (г. Муром). 52 - Теория и технология металлургического производства
