«РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК СТЕКЛОФОРМ С ПОВЫШЕННЫМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ РЕСУРСОМ ...»

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

На правах рукописи

ЧИСТЯКОВ ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

СТЕКЛОФОРМ С ПОВЫШЕННЫМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ

РЕСУРСОМ

Специальность 05.16.04 Литейное производство Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И.О. Леушин Нижний Новгород

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ

ВОПРОСА 1.1 Стекломасса как агрессивный реагент 1.2 Особенности эксплуатации деталей стеклоформ 1.3 Материалы деталей стеклоформ 1.4 Технологии изготовления деталей стеклоформ 1.5 Изготовление отливок – основа формирования свойств деталей Выводы по главе 1

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА МАТЕРИАЛА

ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ СТЕКЛОФОРМ

2.1 Методики исследований чугунов 2.2 Исследование литой структуры чугунных отливок стеклоформ 2.3 Исследование структуры чугуна после термической обработки литых заготовок 2.4 Исследование структурных аберраций при упрочнении деталей чугунных стеклоформ 2.5 Эксплуатационная трансформация структуры деталей чугунных стеклоформ 2.6 Пути повышения эксплуатационной стойкости материала деталей стеклоформ Выводы по главе 2 Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА

ОТЛИВОК СТЕКЛОФОРМ 3.1 Исследование влияния легирования на свойства и структуру чугуна 3.2 Исследование влияния модифицирования расплава на морфологию графита в чугуне 3.3 Компьютерное моделирование процессов затвердевания отливок стеклоформ 3.4 Направленное структурообразование как метод регулирования свойств отливки 3.5 Математическая обработка результатов исследований Выводы по главе 3

Глава 4. ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ

СТРУКТУРЫ ЛИТЬЯ 4.1 Изготовление отливок стеклоформ и их термическая обработка 4.2 Оценка теплофизических свойств деталей стеклоформ с дифференцированной структурой 4.3 Контроль электрического сопротивления в деталях стеклоформ как метод прогнозирования их эксплуатационной стойкости Выводы по главе 4 Глава 5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 5.1 Организационно-технические мероприятия 5.2 Экономическая эффективность внедрения технологии 5.3 Перспективы применения разработанной технологии Выводы по главе 5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Высокий рост потребительской активности населения сформировал массовый спрос на стеклянные изделия различного назначения. Основными потребителями стеклянных изделий являются химическая, пищевая, фармацевтическая и косметическая промышленности. Немалый интерес описанные выше индустрии проявляют к транспортировочной таре и упаковочным изделиям, изготовленным из стекла (флаконы, пузырьки, банки, бутылки, графины, колбы и т.д.). Популярность полых стеклянных изделий в повседневной жизни и промышленности связана с относительно невысокой их стоимостью, повышенной прочностью, а для производителей стеклянных изделий – со способностью получения практически любой конфигурации, возможностью повторного применения, то есть рециклингом сырья.

Для изготовления полых стеклянных изделий применяют металлические литые формовые комплекты. Формовой комплект представляет собой совокупность формообразующих элементов: поддон, стеклоформы (пресс-формы) и горловые кольца, как правило, имеющие особый класс точности и высокие показатели надежности эксплуатации.

Однако при изготовлении фасонных стеклянных изделий крупными партиями (миллионы штук) стеклотарные заводы-производители сталкиваются с проблемой, связанной с постоянным выходом из строя ответственных узлов формовых комплектов. Наибольшей дефектности в процессе эксплуатации стеклоформующей оснастки подвержены детали стеклоформ (пресс-формы), работающие в условиях циклических знакопеременных термомеханических нагрузок и изготавливаемые в большинстве случаев из чугуна.

Применение чугуна в качестве материала для деталей стеклоформ обусловлено его эксплуатационными характеристиками: высокой прочностью, повышенной циклической вязкостью, возможностью регулирования теплофизическими и механическими свойствами за счет стабилизации химического состава и поведения структурных компонентов материала в процессе эксплуатации металлических изделий. Среди положительных сторон чугуна особое место занимают его литейные свойства: низкие линейная и объемная усадки при затвердевании отливок, а также высокая жидкотекучесть, то есть способность длительное время находиться в жидком состоянии.

Главная проблема изготовления литых заготовок стеклоформ заключается в получении материала, отвечающего задачам функционирования готовых деталей, а именно в обеспечении высокой термостойкости контактных с расплавленным стеклом поверхностей, в повышенной теплопроводности формового комплекта, высокой прочности, окалиностойкости, ростоустойчивости и возможности обрабатываемости резанием. Ввиду широкой гаммы требуемых свойств, большинство материалов деталей стеклоформ являются неспособными к высокоскоростной эксплуатации в течение длительного времени и выходят из строя уже после 200…400 тыс. выдержанных теплосмен.

Проблема повышения эксплуатационного ресурса деталей стеклоформ связана с одной из особенностей их работы – цикличностью процесса во времени с использованием принципа двойного выдувания стеклянного изделия и, соответственно, с применением двух стеклоформующих комплектов различной конфигурации (черновой и чистовой металлических форм). Помимо этого, значительное влияние на стойкость стеклоформующей оснастки оказывает стремление производителей тарного стекла уменьшить массу выпускаемых стеклянных изделий (сокращение толщины стенки), повысить скорость выпуска тары, при одновременном улучшении показателей качества выплавляемого стекла.

Вследствие этого материал деталей стеклоформ должен обладать рядом свойств, позволяющих эксплуатировать его в бесперебойном режиме в течение длительного периода: иметь высокую прочность для противостояния ударных нагрузок со стороны как расплавленного стекла, так и других узлов формовых комплектов, противостоять термической усталости в зонах циклических термических ударов, хорошо обрабатываться резанием в процессе механической обработки заготовок, препятствовать элементной диффузии, иметь минимальные структурные превращения в процессе накопления количества теплосмен, а также обладать высокой теплопроводностью для отвода излишек тепловой энергии с внутренних поверхностей. Обеспечить комплекс таких свойств детали требуется уже на этапе изготовления литой заготовки стеклоформы.

Решением проблемы повышения специальных свойств чугунов при высоких температурах занимались такие ведущие ученые, как Александров Н.Н., Бобро Ю.Г., Бунин К.П., Вдовин К.Н., Гиршович Г.Н., Гуляев Б.Б., Жуков А.А., Колокольцев В.М., Косников Г.А., Кульбовский И.К., Ри Хосен, Рыжиков А.А., Худокормов Д.Н., Mayer H., Riposan J. и другие, а взаимодействием расплавленного стекла и металлических конструкций – Аверченко П.А., Евстропьев К.С., Beerkens R.G.C., Mennig M. и другие.

Основополагающие труды о взаимодействии стекла и металла и их физикохимическом влиянии друг на друга принадлежат таким ученым, как Tammann H.H., Davis K.M., Bruncker R., Avrami M. и другим. Однако до настоящего времени так и не удалось установить степень влияния расплавленного стекла на структуру и свойства чугуна, применяемого для металлических форм по выдуву стеклянных изделий, и определить закономерности выбраковки форм, изготовленных из такого материала.

В связи с этим разработка малозатратной и достаточно просто реализуемой на отечественных предприятиях технологии изготовления отливок стеклоформ с комплексом свойств, которая позволяют изготовить из них детали с ресурсом эксплуатации выше мировых аналогов, является актуальной научно-технической проблемой, представляющей значительный практический и научный интерес.

Область диссертационного исследования соответствует концепции федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы" (распоряжение от 02.05.2013 г. № 736-р), государственным программам "Развитие науки и технологий" Российской Федерации на период до 2020 года (распоряжение от 20.12.2012 г. № 2433-р) и "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года", подпрограмме "Металлургия" (распоряжение от 30.01.2013 г. № 91-р), перечню критических технологий РФ (распоряжение от 07.07.2011 г. № 899).

Работа отмечена Дипломом Ученого Совета Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева за особые успехи в научной деятельности по итогам конкурса за 2011 г. Материалы диссертации были представлены на конкурсе компании "ОПТЭК", проводимом в 2013/14 г. для получения грантов на выполнение научноисследовательских работ, конкурсе грантов Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники, проводимом Министерством промышленности и инноваций Нижегородской области в соответствии с Законом Нижегородской области от 01.02.2007 г. № 7-З "О грантах Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники" и Постановлением Правительства Нижегородской области от 03.04.2007 г. № 99 "О порядке предоставления грантов Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники", конкурсе инновационных проектов "ТЕХНОСТАРТ" (Skolkovo Community) 2014 г. в номинации "Новые производственные технологии для машиностроения", программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" (УМНИК) в рамках конференции "Будущее технической науки".

Цель диссертационного исследования – разработать варианты малозатратных технологий изготовления литых заготовок стеклоформ, позволяющих обеспечить повышенный ресурс эксплуатации готовых деталей и гарантировать долгосрочную работоспособность чугунных формовых комплектов по изготовлению стеклянной тары.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

– исследование особенностей эксплуатации деталей стеклоформ, определение их ключевых рабочих характеристик и установление факторов, выводящих их из – обзор и обобщение современных теоретических и экспериментальнопромышленных данных в области изготовления деталей стеклоформ из чугунов различных фазового и химического составов;

– анализ жизненного цикла деталей стеклоформ и особенностей постоянной трансформации исходной (литой) структуры чугуна на основе экспериментальных и опытно-промышленных работ на ведущих предприятиях-изготовителях формовой оснастки;

– выявление влияния легирования, модифицирования, заливки и затвердевания расплава чугуна на структурообразование отливок и изменение комплекса их свойств;

– исследование формирования структуры деталей стеклоформ на основе компьютерного моделирования процессов кристаллизации и эксплуатации чугунов;

– установление особенностей структурообразования чугуна в зависимости от интенсивности теплообмена между отливкой и формой;

– разработка на основе результатов исследования ряда технологий изготовления заготовок стеклоформ, позволяющих повысить эксплуатационный ресурс формовых комплектов;

– внедрение результатов исследований в действующее производство.

Объектом исследования является технология производства литых заготовок стеклоформ, из которых изготавливаются детали, испытывающие предельные нагрузки в составе формового комплекта и подвергающиеся наиболее частой замене и ремонту, а предметом исследования – процессы формирования структуры материала отливок.

Научная новизна работы:

– разработаны физическая и компьютерная модели процессов эксплуатации деталей стеклоформ, а также математическая модель процесса износа формовых комплектов и их выхода из строя, позволяющие прогнозировать стойкость деталей в зависимости от структуризации чугуна, показателей его теплопроводности и электрического сопротивления;

– определена поэтапная прогностическая структурная детерминированная модель жизненного цикла деталей стеклоформ, отражающая степень трансформации структурных компонентов чугуна и включающая в себя процессы формирования его литой структуры, изменения структурного состояния в результате термической обработки чугуна, искажения его структуры в процессе упрочнения поверхностных слоев детали и изменчивости структуры при эксплуатации формового комплекта;

– установлено влияние скоростей затвердевания отливок стеклоформ на структурообразование чугуна в форме регрессионной зависимости, позволяющей использовать металлические холодильники различных размеров и масс в зависимости от функциональных особенностей применения деталей стеклоформ;

– выявлены и научно обоснованы особенности феррито- и графитообразования в чугунах при интенсификации процесса теплообмена между отливкой и формой, связанные с преобладанием ферритной металлической основы и графитных включений в теле отливки при заданных параметрах ее затвердевания – скорости кристаллизации, склонности элементного состава чугуна к отбелу, морфологии графита;

– выявлена количественная связь электрического сопротивления материала стеклоформы с величиной эксплуатационного ресурса будущих деталей, позволяющая прогнозировать стойкость формовых комплектов и контролировать их ремонтопригодность в оперативном режиме заводских условий;

– разработаны схемы модифицирования расплава чугуна и заливки форм, позволяющие обеспечить дифференцированную структуру заготовок стеклоформ, то есть структуру чугуна, отличающуюся формированием заданной морфологии графита – пластинчатой, вермикулярной или шаровидной – в различных слоях литой заготовки и обеспечивающую высокую термоокалиностойкость рабочему слою детали и более высокую эквивалентную теплопроводность формового комплекта в целом.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

– разработана и внедрена в действующее производство ООО "MOLD TECH" (г.

Муром, Владимирская обл.) технология изготовления отливок с дифференцированной структурой литья (формируемой специальным двухэтапным способом заливки чугуна с модифицированным и немодифицированным чугунами), позволившая увеличить термостойкость материала на 100…200%, а эксплуатационную стойкость деталей стеклоформ с 0,2…0,4 млн теплосмен до 0,6…1,0 млн;

– разработана и прошла промышленное опробование на ОАО "Литейномеханический завод" (г. Семенов, Нижегородская обл.), технология изготовления отливок с дифференцированной структурой литья, основанная на создании различной морфологии графита в металлической основе чугуна при послойном формировании литой заготовки за счет регулирования скорости затвердевания чугуна, навески применяемых модификаторов, химического состава чугуна;

– разработана технология, позволяющая провести операции модифицирования чугуна и заливки расплава таким образом, чтобы обеспечить достаточную графитизацию сферолитов для получения термоокалиностойкой структуры в пределах рабочего слоя заготовки;

– разработана методика оперативного контроля эксплуатационной стойкости деталей стеклоформ, основанная на измерении показателей электрического сопротивления материала формовых комплектов (как для уже введенных в эксплуатацию деталей, так и для вновь установленных), регулирующая уровень износа материала, его работоспособность и ремонтопригодность;

– экономический эффект от внедрения технологии изготовления отливок стеклоформ с дифференцированной структурой литья составил 408 290 руб./1000 отливок (при минимальной программе выпуска изделий).

На защиту выносятся следующие положения:

– результаты исследований физических и химических процессов износа деталей стеклоформ, выходящих из строя по различным механизмам образования эксплуатационных дефектов;

– экспериментальные данные о трансформации структуры чугуна в процессе основных этапов жизненного цикла металлического изделия;

– результаты исследований процессов структурообразования чугунов с различной морфологией графита в зависимости от легирующего комплекса, дозирования модификатором и условий затвердевания чугуна;

– процессы феррито- и графитообразования в чугунах при интенсификации теплообмена между отливкой и формой;

– результаты исследования электрического сопротивления материала деталей, по данным которого производится оценка термической усталости чугуна и перспективности его использования;

– данные о влиянии дифференциации структуры (соотношения графитовых включений различной морфологии по сечению детали) на теплофизические и эксплуатационные характеристики формовых комплектов;

– результаты исследования степени модифицирования чугуна в зависимости от выбора применяемых сфероидизирующих модификаторов отечественного производства и способа растворения модификатора в расплаве;

– технологические процессы формирования слоистой (дифференцированной) структуры заготовок стеклоформ с различным соотношением форм графитовых включений.

Достоверность результатов исследования достигалась использованием высокоточного оборудования и методов определения механических показателей деталей по стандартам ГОСТ. В работе были применены: оптико-эмиссионный спектрометр (спектроанализатор) FOUNDRY-MASTER (WAS AG, Германия), оснащенный мульти-CCD оптической системой по схеме Паше-Рунге и системой обтекания потока аргона JetStream с вакуумным заполнением и автоматическим профилированием линий; металлографический цифровой комплекс Altami MET3MT, оснащенный программой обработки и анализа изображений в режиме реального времени Altami Studio; инвертированный микроскоп AXIO VERT.A1 (Carl Zeiss AG, Германия), оснащенный окулярной штрихпластиной для определения бальности зерна металла по ISO 643–1983 и ASTM 112–88;

твердомер Wilson Instruments Rockwell® 574 (Instron Wolpert Wilson Instruments), работающий по методике стандартов ASTM E18 и ISO 6508 для измерения металлических тел; разрывная машина Inspekt 100 table (Hegewald & Peschke Mess-und Prueftechnik GmbH, Германия) с точностью измерения 1-ого класса; экспресс-анализатор МЕТАВАК CS–30 ("Эксан"); микроомметры MMR–620 (Sonel S.A., Польша) и БСЗ–010-2 (PELI, Россия); расчетные программные средства MathCAD; программные комплексы моделирования литейных процессов LVMFlow CV (ЗАО НПО МКМ, Россия), Magma Soft (MAGMA GmbH, Германия) и моделирования процессов эксплуатации деталей стеклоформ Ansys, ELCUT и SolidWorks Flow Simulation (SolidWorks Corp., США); программа для моделирования свойств сплавов и термодинамического расчета равновесного состояния JMatPro; универсальные программные модули, адаптированные для проведения количественной металлографии (количественного анализа изображений структур) Image-Pro Plus (Media Cybernetics). Обработка результатов экспериментов осуществлялась при помощи методов математической статистики на персональных компьютерах, оснащенных программами Excel, MathLab, LabVIEW, National Instruments DIAdem и Statgraphics Centurion, а также с применением систем компьютерной алгебры – пакета символьной математики Derive A Mathematical Assistant (Soft Warehouse, США) и программного модуля Mathematica (Wolfram Research, США). Анализ отклика на импульсы и моделирование условной гетероскедастичности проводились при помощи эконометрического пакета Eviews (IHSGlobal, Inc.).

Эмпирический материал диссертации базируется на исследовании свойств более 30 формовых комплектов (как отечественного, так и зарубежного изготовления), проведении свыше 40 плавок чугуна с получением более 140 экспериментальных отливок стеклоформ.

Основные отличия работы автора от работ предшественников:

– разработана детерминированная физико-химическая модель износа материала чугунных стеклоформ в процессе их эксплуатации, описывающая механизм разнородного нарушения структуры поверхностных слоев деталей;

– взамен моносплавного материала, типа ЧВГ, для деталей стеклоформ предлагается применять чугун с дифференцированной структурой типа "ЧШГЧВГ СЧПГ", позволяющей интенсифицировать отдачу излишек тепловой энергии при повышенной термостойкости рабочего слоя детали;

– из технологического процесса изготовления деталей стеклоформ исключены операции упрочнения рабочих кромок и формообразующих поверхностей, без снижения вырабатываемого ими эксплуатационного ресурса.

Личный вклад автора. В диссертационную работу вошли результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором. Автору принадлежат:

– анализ литературных и экспериментально-промышленных данных в области изготовления деталей чугунных стеклоформ;

– выявление особенностей эксплуатации формовых комплектов и причин выхода – выбор цели и постановка задач исследования;

– разработка моделей трансформации структуры чугуна в процессе жизненного цикла детали и методики определения ресурсоспособности изготовленных деталей;

– разработка схемы модифицирования и технологий заливки чугуна с целью регулирования соотношения форм графитовых включений, присутствующих в отливке.

Автор принимал участие в апробации разработанных методик, в промышленном опробовании и внедрении технологий в действующие производства региона.

Благодарности. Автор выражает благодарность доценту Зиновьеву Ю.А. за консультации и предоставленные информационные материалы, сотрудникам Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, Нижегородского научно-исследовательского института машиностроительных материалов "Прометей" (г.

Нижний Новгород) и ОАО "Литейно-механический завод" (г. Семенов), оказавших помощь при подготовке диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной научно-практической конференции "Литейное производство сегодня и завтра" (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); X Международной научно-технической конференции "Современные металлические материалы и технологии" (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); XI Съезде литейщиков России (г. Екатеринбург, 2013 г.); Всероссийской молодежной научной конференции "Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий" (г. Саратов, 2013 г.); VII Международной научно-практической конференции "Прогрессивные литейные технологии" (г. Москва, 2013 г.); Научно-технической конференции с международным участием "Литые материалы и ресурсосберегающие технологии" (г. Владимир, 2013 г.);

XIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки" (г. Нижний Новгород, 2014 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 20 публикациях в виде статей в научных рецензируемых журналах и материалах конференций, в том числе 8 – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации трудов соискателей ученых степеней. По результатам работы получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "Расчет эксплуатационной стойкости стеклоформ" № 2014613418 (заявка № 2014610494, дата государственной регистрации в Реестре Программ для ЭВМ – 26 марта 2014 года), подана заявка на патент на изобретение "Способ изготовления отливок из чугуна".

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, изложенных на 245 страницах машинописного текста, включая 90 рисунков и 40 таблиц. Список литературы включает 214 источников. Объем приложений составляет 26 страниц.

Глава 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ

ВОПРОСА

Стекло является наиболее перспективным и востребованным материалом для изготовления изделий, применяемых в качестве расфасовочной, транспортировочной и упаковочной тары в различных отраслях отечественной промышленности. Наибольшую популярность стеклянные изделия получили в пищевой, химической, автомобильной, фармацевтической и косметической индустриях.

Распространенность данного материала во многих промышленных секторах экономики связана с тем, что стекло является аморфным изотропным материалом, получаемым путем переохлаждения стеклорасплава и, благодаря этому, обладающим рядом уникальных свойств по сравнению со своими аналогами (пластмасса, стеклопластик и т.п.):

– высокой герметичностью и, как следствие, газонепроницаемостью и химической защищенностью от агрессивных газовых сред;

– низкой химической активностью к содержимому стеклянного изделия;

– отсутствием подверженности временному износу (например, коррозии);

– регулируемостью светопроницаемости;

– высокой регенерируемостью материала (до 40% для тарного стекла [1]);

– экологической безопасностью утилизации.

Однако существует и ряд недостатков стекла при рассмотрении его с точки зрения упаковочного материала:

– низкая механическая прочность (при ударных нагрузках);

– большой удельный вес на единицу содержимого стеклянного изделия.

Вопреки такому сочетанию разнородных показателей – набору уникальных свойств – тарное стекло остается одним из самых востребованных упаковочных материалов и его производство неуклонно растет из года в год [2]. Во многом это обусловлено спецификой изготовления данного материала, где ключевым моментом является возможность формирования стеклянного изделия сложной конфигурации, широкого диапазона габаритных размеров с варьируемой толщиной стенки. Такими преимуществами формования стекло обеспечено, согласно теории агрегатных состояний процесса кристаллизации [3], за счет его экзотермической кристаллизации. Стекло характеризуется способностью к перекристаллизации – "силе самопроизвольной кристаллизации", согласно [4, 5], и к высокой скорости образования кристаллов и их росту [6]. Вследствие этого значительное понижение текучести расплавленного стекла при понижении температуры (затвердевании) способно приводить к фиксации неравновесной высокотемпературной структуры жидкого стекла [7, 8]. Дальнейшее охлаждение такой замороженной структуры приводит к закреплению структуры жидкости, приобретённой в состоянии высокой вязкости, что вызывает аморфное состояние материала [9]. При изготовлении же стеклянной тары все эти процессы происходят по причине того, что при высокой вязкости расплава – порядка 1013 пуаз – структура стекла не успевает следовать за изменением температуры и в результате этих процессов либо реализуется, либо не реализуется способность стекла к формированию полого изделия. Таким образом, основным свойством стеклообразующего расплава является его вязкость, которая зависит в первую очередь от температуры разогрева расплава материала.

Именно характер изменения вязкости стекла при снижении его температуры служит основой для определения температурных режимов варки, формования и термической обработки (рисунок 1.1, а). Из рисунка 1.1 следует, что в температурном интервале 23…1500 С вязкость стекол изменяется на 18 порядков (при этом в твердом состоянии вязкость составляет примерно 1019 Па·с, в расплавленном состоянии – 10 Па·с), то есть имеет значительный диапазон варьирования. На этом основании наибольший интерес для изучения представляют процессы формования (28 порядки) расплава стекла и его стеклования (912 порядки), а зависимость вязкости от температуры в этих условиях можно представить в виде уравнения Евстропьева К.С. [10, 11]:

где А – константа, Eo – величина пропорциональная прочности связки элементкислород, Т – температура, °К.

Из уравнения 1.1 и рисунка 1.1, б, становится очевидным, что существует такой "рабочий интервал" вязкости, в пределах которого происходит размягчение стекломассы до состояния способности принять какую-либо конфигурацию, и получение изделия, когда его внешний слой затвердевает настолько, что препятствует дальнейшей деформации. Границами интервала являются температуры: tg – температура, ниже которой стекло приобретает хрупкость (ей соответствует вязкость 1013 Па·с); tf – температура, выше которой стекло приобретает свойства, типичные для жидкого состояния (ей соответствует вязкость ~108 Па·с).

Рисунок 1.1. Температурный диапазон формования стекла: а – технологическая шкала вязкости стекла (температура Литтлтона – температура "размягчения" стекла) [12], б – зависимость свойств стекла от температуры: внутренней энергии, энтальпии, энтропии, молярного объема (1); вязкости, удельного электрического сопротивления (2);

температурных коэффициентов линейного и объемного расширений (3);

теплопроводности (4); tg-tf – аномальный интервал Другим фактором качественного формообразования стеклянного изделия выступает поверхностное натяжение стекла, то есть действие межмолекулярных сил на частицы его поверхностного слоя. При этом влияние поверхностных сил на процесс формования возрастает с уменьшением вязкости стекла и размеров формуемых стеклянных изделий [13]. Важность данного фактора обусловлена явлениями смачивания расплавленным стеклом стенок форм, адсорбции, а также действиями капиллярных сил и фрикционной стойкостью данных стенок к проявлению кристаллов твердых фаз в массе расплава стекла. Ввиду того, что поверхностное натяжение при падении температуры расплавленного стекла на 100 °С изменяется в среднем на 1…3%, это не позволяет изменять температурный диапазон изготовления стеклянных изделий и исключает возможность стабилизации размеров форм изменением данного фактора (температуры). Именно высокое поверхностное натяжение промышленных стекол в сочетании со своеобразных ходом температурной кривой вязкости обуславливает применение различных способов формования стеклянных изделий [12].

Наиболее важные свойства для формования стекла представлены на рисунке 1.1, б.

Таким образом, из уравнения 1.1 и рисунка 1.1, б следует, что существует "жесткая" зависимость вязкости стекла от температуры и степени прочности окислов расплава стекла, а поверхностного натяжения – от химического состава, то есть степени взаимодействия этих окислов. При этом в производственных условиях химический состав стекла определяется как эстетическими потребительскими свойствами будущего стеклянного изделия (цвет, светоотражаемость и т.п.), так и техническими преимуществами применения того или иного состава (способность химической реакции с содержимым стеклянной упаковки, поверхностная прочность и т.п.). По этой причине тарные стекла изготавливают в основном из натриевокальциевосиликатного стекла следующего химического состава (% масс.): 73 SiO2, 11 CaO, 14 Na2O и 2 Al2O3. В небольших количествах добавляют MgO, K2O, SO3. Последний применяется, как правило, в качестве осветлителя [14].

Температура варки такого стекла – в печи она достигает 2500 °С – определяется его составляющими компонентами – оксидами, фосфидами, фосфатами и пр. [15]. Помимо этого, химический состав стекла оказывает значительное влияние и на поверхностное натяжение, в результате чего ведется точный расчет вводимых в печь компонентов. Так, окислы Al2O3 и MgO, вводимые в расплавленное стекло, увеличивают его поверхностное натяжение, а K2O и B2O3, наоборот, понижают его. Также обычно при выборе состава стекла на производстве стремятся к тому, чтобы температура верхнего предела кристаллизации была на 25…30 °С ниже температуры ее формования. Структура такого стекла (а) и готовые стеклянные изделия (б) представлены на рисунке 1.2.

В настоящее время – помимо описанного выше так называемого "классического" состава стекла – применяют другие химические составы, используемые на стеклоавтоматах как зарубежного, так и отечественного производства по изготовлению стеклянных изделий (таблица 1.1).

Рисунок 1.2. Стекло: а – двумерная структура натриевокальциевосиликатного тарного Таблица 1.1 – Химические составы промышленных тарных стекол (завод) машины На качество формирования стеклянных изделий, помимо физико-химических свойств стекломассы (ее химический состав, вязкость, поверхностное натяжение и т.д.), значительное влияние оказывает и температурный режим эксплуатации металлических форм для формования стекла. При отклонении температуры формы в сторону перегрева на металлических конструкциях возникают характерные дефекты "горячего хода" стеклоавтомата (налипание стекла к форме, разрывы, слипания, коробления стеклянных изделий и т.д.). При отклонении температуры формы в сторону "холодного хода" стеклоавтомата возникают другие специфические дефекты – посечки, кованость, складки, недооформления и т.д. Рабочий интервал нагревания форм лежит между этими двумя противоположно вредными отклонениями и зависит от разных факторов: конфигурации и типа изделий, распределения стекла в изделии (толщина стенок и дна), массы стеклянных изделий, химического состава стекла, его теплопрозрачности (обесцвеченное, выкрашенное), скорости работы стеклоавтомата и его конструкции, и от самих форм – их материала, площади, характера теплоотдающей поверхности и др.

В связи с этим важным фактором качественного формования стекла является соблюдение температурного режима эксплуатации металлических форм, позволяющего устранить основные дефекты стекломассы: свили, стеклянные нити, заусенцы, сколы, морщины, налипание и прилип, суженные венчики и горлышки с внутренним наплывом, сдвиг горловины, овальность венчика, недоформованный или перепрессованный венчик, нарушения линейных размеров и формы, отклонения от вертикальной оси, тонкое дно, разнотолщинность стекла и т.п.

Помимо показателей температур формовых комплектов и стекломассы, важной составляющей, влияющей на ход формообразования стеклянного изделия и износ поверхностей форм, является абразивная и химическая способность кристаллизующегося стекла. С увеличением в стекле содержания щелочей оксидов (например, оксидов натрия или калия), а также оксидов цинка, циркония, магния, бария, химическая стойкость стекла, способность стекла противостоять взаимодействию с атмосферой цеха, снижается. Кроме химической стойкости в зависимости от химического состава, значительным образом изменяется твердость стекла. Наиболее твердыми являются именно кварцевые стекла, применяемые для изготовления стеклянной тары. В таблице 1.2 представлена твердость основных оксидов, входящих в состав стекла и выступающих в роли абразивов при кристаллизации стеклянного изделия и его извлечения из металлической формы [16, 17].

Таблица 1.2 – Твердости оксидов, входящих в состав стекла Оксид Таким образом, качество стеклоизделий складывается от наличия тех или иных пороков стеклянных изделий, образованных [14]:

– работой, питающей форму, системы подачи стекломассы;

– работой разных механизмов стеклоформующих машин;

– температурным режимом формового комплекта.

Благодаря температурной изменчивости структуры и химического состава стекломассы в процессе ее циклического контакта с формой (откуда начинается ее кристаллизация), расплавленное стекло выступает в роли:

– теплоносителя и инициатора теплового удара о стенки формы [18];

– химического реагента и переносчика окислов во внутренние слои формы;

– абразивного материала в результате механического удара о стенки формы и при удалении закристаллизовавшегося стеклянного изделия (твердость кристаллизующегося стекла достигает 2…8 ГПа по Викерсу [19]).

В связи с этим особого внимания для оценки стойкости металлических форм заслуживают:

– процессы контакта расплавленной стекломассы в циклическом режиме с формами при формовании стекла;

– особенности технологий изготовления деталей металлических форм, способных противостоять абразивной, химической и температурной активности стекла;

– виды материалов металлических форм, на предмет формирования в них дефектов, приводящих к их разрушению.

1.2 Особенности эксплуатации деталей стеклоформ Особенностью изготовления полой стеклянной тары является способность формообразования за счет процессов прессования, прессо-выдувания или выдувания стеклянного изделия. Наибольшую популярность получили способ двойного выдувания (Double Blow, Blow blowing – BB-процесс), которым вырабатывается около трети всей стеклянной тары, и прессовыдувной способ (Narrow Neck Press & Blow – NNPBпроцесс), который получил широкое распространение для изготовления узкогорловой тары [20, 21]. Из перечисленных самым распространенным методом изготовления полых стеклянных тар, за счет своей производительности и широкого спектра возможных вариантов изготовления изделий, является выдувание. Особенность данного процесса состоит в необходимости контроля температурного режима работы как стекла (на протяжении всего цикла "расплавленное стекло–стеклянное изделие"), так и применяемой формовой оснастки.

Формовая оснастка – это совокупность деталей, характеризующих формовой комплект для литья стеклянных изделий, обеспечивающая создание стеклоупаковки от капли расплавленного стекла до конкретной бутылки, банки, флакона и т.п. Ассортимент стеклянных изделий, получаемых данным способом производства, значительно превосходит остальные методы формования стекломассы: кувшины, графины, рюмки, фужеры, стаканы, кружки, бокалы и т.д.

По данному способу производства стеклянную тару классифицируют на [13]:

– узкогорловую (с внутренним диаметром горла до 20…30 мм);

– широкогорловую (с внутренним диаметром горла более 30 мм).

Изготовление узкогорловой стеклотары (бутылки, колбы и т.п.) осуществляют преимущественно BB-методом по принципу использования двух форм: черновой (рисунок 1.3, а) – металлоконструкции, в которой выдувается стеклянное изделие предварительной конфигурации, и чистовой (рисунок 1.3, д) – металлоконструкции, в которой выдувается стеклянное изделие уже потребительских размеров и форм. В процессе выдувания стекла применяются – в зависимости от характера подачи расплава стекла – машины с капельным питанием, машины фидерного типа (например, полуавтоматы ВШМ, ВВ-2 и автоматы 2ЛАМ, Л-10, АВ-4, АВ-4-2, АВ-6 АВ-6-2, ВВ-7) и машины с вакуумным питанием (например, автоматы ВВ-6, ВВМ-10, ВР-24, ВС-24, ВК-18).

Технологическая схема изготовления стеклянной тары начинается с процесса подготовки сырьевых материалов и их смешивания в смесителе (контейнерного или тарельчатого типа). Полученную шихту подают к ванной печи, загружают в нее и производят варку. Расплавленная масса поступает в формы для выдува стеклянных изделий.

Первоочередным условием качественного формообразования стекломассы является поддержание температурного режима подачи капли расплавленного стекла в металлическую форму – процесс "питания". При этом на теплофизические характеристики эксплуатации черновых стеклоформ ключевое влияние оказывает периодичность подачи капель (60…140 капель в минуту в зависимости от стеклодувного автомата) и, соответственно, скорость разогрева-охлаждения такой формы. Общий вид схемы питания черновой формы капельным путем представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.3. Схема изготовления стеклянных изделий способом двойного выдувания:

а – попадание капли в черновую форму; б – формование горловой части стеклянного изделия; в – выдувание стеклянного изделия предварительной конфигурации ("пульки") в черновой форме; г – кантование пульки в чистовую форму; д – выдувание готового стеклянного изделия в чистовую форму; е – выдача готового стеклянного изделия на конвейер; 1 – расплавленное стекло; 2 – черновая форма; 3 – горловая форма;

4 – чистовая форма; 5 – дутьевая головка; 6 – готовое стеклянное изделие Рисунок 1.4. Схема работы питателя ПК 1552 стеклоавтомата: а-г – цикл питания формы стекломассой; 1 – плунжер; 2 – бушинг; 3 – очко; 4 – ножницы [3] Температура поверхности формуемой капли в зависимости от ее массы – объема капли и вида выпускаемого стеклоизделия – достигает 1150…1200 оС [12]. После отделения от основной массы расплавленного стекла капля поступает в черновую форму (рисунок 1.3, а), где происходит формование горла (венчика) стеклянного изделия с помощью дутьевой головки и набора горловых полуколец (горловая форма, рисунок 1.3, б). Следующей операцией является опускание плунжера – при закрытом поддоне – и формование стеклянного изделия предварительной конфигурации (так называемой "пульки") (рисунок 1.3, в). Время выдувания стекломассы в черновой форме составляет 1,2…3 с. Подача сжатого воздуха для прессования горловой части стеклянного изделия осуществляется, как правило, через 0,3…0,7 с, а выдувание пульки (стеклоизделия предварительной конфигурации) – через 1,0…1,5 с после попадания стекломассы в черновую форму. После передачи (кантования) "пульки" в чистовую форму (рисунок 1.3, г) следует окончательное выдувание стеклянной тары (рисунок 1.3, д). Завершающим этапом является извлечение готового стеклянного изделия из горловой формы (рисунок 1.3, е) и его отправка на последующие операции отжига стекла, контроля дефектов и т.д. При этом общее время выдувания обычно не превышает 3 с, а время нахождения "пульки" на межоперационном этапе "черновая форма чистовая форма" – 1 с. Продолжительность процесса выдувания готового стеклянного изделия колеблется в диапазоне 0,6...0,8 с (рисунок 1.5). Выдержка стеклянного изделия на так называемом "поддоне охлаждения" составляет 1,8…4,0 с. Таким образом, общая продолжительность процесса "стекломасса–готовое стеклоизделие" не превышает 8…15 с, при прогреве рабочих поверхностей деталей черновых стеклоформ до температуры выше 750 °С, то есть температур, позволяющих с высокой цикличностью во времени (до 2 секунд на изделие) формовать стеклянную тару. При этом охлаждение деталей осуществляется атмосферой цеха, как правило, путем естественной конвекции (автоматы AL) или частично воздушнопринудительным способом (ВВ-7 и др.) наружных поверхностей.

Согласно [21] средняя температура поверхности стекломассы при выдувании в чистовой форме узкогорлой тары составляет 891 °С, тары с широким горлом 926 °С.

Для выдувания стекломассы в чистовой форме требуется дополнительное давление воздуха 5…15 Па, при этом компрессионное давление внутри рабочего слоя может достигать 0,25 МПа. В этих условиях, критическая температура разогрева деталей стеклоформ для формования стекла составляет 713 °С (при давлении 105 Па и времени контакта "стекломассаформа" менее 1 с). Более низкая температура материала стеклоформы способствует перегреву ее рабочих поверхностей, приводит к прилипанию стекломассы и нарушению структурного состояния кристаллизующегося стекла.

Рисунок 1.5. Изготовление стеклянного изделия: а – типичная деталь стеклоформы;

б – получение "пульки" в черновом формовом комплекте Вышеописанный принцип скоростного двойного выдувания стеклянного изделия в бесперебойном режиме "открытия–закрытия" формовых комплектов оказывает значительное разрушающие воздействие на формообразующие поверхности деталей стеклоформ. В условиях такого режима – после перехода отечественных стеклотарных заводов на высокопроизводительные стеклодувные автоматы преимущественно зарубежного производства – резко ужесточились требования к минимальному количеству съемов стеклоизделий в пересчете на один формовой комплект. Стойкость формовых комплектов, зависящая в первую очередь от материала компонующих его деталей, а также от режима их работы, принципа нагружения наиболее ответственных частей и скорости попадания расплавленного стекла во внутреннюю полость формового комплекта, на данный момент в среднем не превышает 0,55 млн теплосмен с одной стеклоформы, что не удовлетворяет современным требованиям производства [20].

Наиболее нагруженным в ходе эксплуатации деталей стеклоформ является поверхностный (рабочий1) слой толщиной 1…10 мм, который, во-первых, испытывает значительный тепловой удар при выдуве стеклянного изделия, и, во-вторых, подвержен мехаслой, контактирующий в циклическом режиме с расплавленным стеклом ническому, термическому и химическому воздействию стекломассы, что вызывает сложное напряженно-деформированное состояние деталей стеклоформ. В этом слое наблюдается максимальный температурный перепад по толщине стенки детали, а интенсивность теплового удара может достигать 250 оС/(мм·с). За счет этого происходит накопление пластической деформации и исчерпание запаса пластичности материала [21].

В этих условиях важно прогнозировать ресурс эксплуатации деталей стеклоформ, то есть их долговечность работы. Для расчета предельного состояния материала (долговечности детали), как правило, используют критерии, базирующиеся на физически обоснованных и экспериментально подтвержденных моделях разрушения.

Одна из первых попыток формулирования таких критериев (R) – работа Викельмана А. и Шота О. [22], согласно которой:

где c p – удельная теплоемкость материала при постоянном давлении, Дж/(кг·°К); B – предел прочности, МПа; – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°К); E – модуль упругости материала при растяжении, МПа; – плотность материала, кг/м3; – коэффициент линейного расширения, °K1.

Из приведенного уравнения следует, что эксплуатационная стойкость деталей прямо пропорциональна прочности материала и обратно пропорциональна коэффициенту линейного расширения и модулю упругости, а чем выше. / c p, тем быстрее прогревается деталь, что благоприятно сказывается на снижении уровня напряжений.

Авторы [23, 24, 25] связывают наступление предельного состояния материала с параметрами нагружения поверхности и предлагают для расчета стойкости деталей N p воспользоваться следующей зависимостью:

где – нормальные напряжения, МПа; – деформация; T – температура, °К; t – время цикла, с.

Для учета влияния контактной с металлической формой среды – жидкого стекла – в работе [26] приводится формула для расчета долговечности деталей (Np) в виде уравнения:

где a, b, с, d, e – константы; S ХИМ, S M, S M/ПЛ. – соответственно превращения энтропии в материале за счет химических, механических упругих и пластических деформаций, Дж/°К.

В работе [27] сделана попытка математического описания зависимостей (выхода из строя деталей с ростом числа выдерживаемых теплосмен) с расширением области варьируемых напряжений при трещинообразовании. Авторы утверждают, что эксплуатационная стойкость деталей находится из зависимости:

где N p – число циклов до разрушения материала, ед.; ep – деформация при разрыве; – удельная поверхностная энергия, Дж/м2; 0, 2 – условный предел текучести, МПа; F – поверхность (площадь) трещины, м2.

Из уравнения 1.5 следует, что долговечность материала с трещиной, кроме механических характеристик, зависит еще и от теплофизических факторов, в отличие от формулы 1.4.

Для правильного прогнозирования и расчета эксплуатационной стойкости деталей важно знать, как в течение процесса нагрева деформируется материал детали. На рисунок 1.6, а показано как цикл за циклом растет деформация в материале детали стеклоформы, где Т – температура разогрева формового комплекта, °К, – степень деформации. Остаточная деформация является необратимой и ее величина в первых циклах – либо за определенный период – может быть использована для прогнозирования долговечности формового комплекта.

Таким образом, если рассматривать деталь стеклоформы, как тело с идеально упругим материалом и допустить, что после извлечения стеклянного изделия из формы происходит разгрузка материала к исходному состоянию, при котором = 0, то можно определить эксплуатационные условия работы кромок деталей, определяемых зависимостью энтропийного параметра / Т от деформации (рисунок 1.6, б), где Т – точка начала пластической деформации. Площадь замкнутой фигуры цикла будет представлять собой приращение энтропии за цикл. Площадь заштрихованной фигуры может выступать основным критерием оценки долговечности детали в зависимости от режима работы стеклодувного автомата.

Рисунок 1.6. График циклического режима эксплуатации: а – схема процесса накопления пластических деформаций при циклических нагревах по схеме Tmax Tmin;

б – зависимость энтропийного параметра / Т от деформации в течение цикла термической усталости поверхностных слоев детали стеклоформы [26] Таким образом, технология приготовления стекла представляет собой совокупность процессов. Наиболее значимыми из них являются [13]:

– механические процессы (загрузка стеклошихты, ее обработка и т.п.);

– химические процессы (химическая и термохимическая обработка жидкого стекла, контакт с металлической формой);

– тепловые процессы (теплопередача при стекловарении и формовании стекла, циклический режим теплового нагружения формы и т.д.);

– массообменные процессы (массопередача в процессах стекловарения и формования, элементная диффузия из стекла в рабочий слой формы и т.д.);

– аэродинамические процессы (движение стекломассы и газов при формовании и выдуве стеклоизделий).

В связи с этим ключевыми моментами технологической подготовки изготовления деталей стеклоформ являются:

– выбор материала детали стеклоформы, непосредственно соприкасающегося со стекломассой, который должен обладать высокими механическими и технологическими свойствами на стадии изготовления из них металлического изделия, а также повышенными теплофизическими показателями, иметь минимальную диффузию отдельных элементов при циклическом воздействии температур, противостоять термической усталости и коррозии в условиях высоких температур уже на стадии процесса эксплуатации металлической формы;

– выбор способа изготовления деталей формовых комплектов (стеклоформ) с заданными параметрами шероховатости конструкции, ее прочности, термической стабильности и т.д.

Исследование рабочих характеристик литых деталей, эксплуатирующихся при знакопеременных тепловых циклических нагрузках, привлекало внимание многих ученых, среди которых Баландин Ю.Ф. [28], Баранов А.А. [29], Биргер И.А. [30], Вашунин А.И. [31], Веронский А. [24], Дульнев Р.А. [32-34], Котов П.И. [35], Серенсен С.В. [36, 37], Третьяченко Г.Н. [38, 39], Трощенко В.Т. [40], Туляков Г.А. [41], Coffin L.F. [42, 43], Manson S.S. [44] и многие другие. Интерес к этому вопросу возник благодаря обнаружению протекания необратимых изменений в металлических телах (увеличению их объема – росту, значительному изменению их структуры и свойств) при термоциклических нагрузках.

С внедрением в ХХ веке в промышленность высокопроизводительного оборудования особый исследовательский интерес проявился не только к деталям, работающим по принципу "нагрев–охлаждение", но и эксплуатирующимся в сложных термомеханических условиях, отягощенных абразивным износом. Позже появились исследования, направленные на придание литому материалу специальных свойств, позволяющих противостоять как внешним факторам воздействия на деталь (ударные нагрузки, абразивный износ, кавитация и т.п.), так и внутренним (окисление, структурные превращения и т.д.).

Теоретические труды в этой области принадлежат Outerbridge A.E. [45], Бунину К.П.

[46], Гиршовичу Н.Г. [47], Тейлору [48], Окнову М.Г. [49] и др., экспериментальные работы проводились такими исследователями, как Бобро Ю.Г. [50], Косниковым Г.А. [51], Пивоварским Е. [52], Рыжиковым А.А. [53], Стародубовым К.Ф. [54], Троицким Г.Н.

[55] и другими.

Однако в настоящий момент практически отсутствуют литературные данные о материалах, применяемых и рекомендуемых для деталей стеклоформующей оснастки.

При этом сейчас функционирует большое количество известных компаний, специализирующихся на изготовлении деталей стеклоформ и ведущих собственные научные исследования. Среди таких компаний ведущими являются "Инхом-98" (Болгария), "Страда" ("Комит", Италия), "Оптима" (Россия), "Nuove Officine Valtaro" (Италия), "CHANGSHU JIANHUA DIE SETS" (Китай), "CHANGSHU WEIHENG MOULD MANUFACTURE" (Китай), "ZITZMANN" (Германия) и другие, исследующие сплавы на основе железа, и "ОМКО" (Хорватия), "HUANGHUA RONGTAI MOULD" (Китай), "SUZHOU DONGHAI GLASS MOULD" (Китай) и другие, разрабатывающие технологии изготовления формовой оснастки из материалов на медной основе. Одновременно с этим практически все исследования этих компаний едины в том, что в зависимости от этапа изготовления стеклянного изделия – при применении технологии использования черновых и чистовых формовых комплектов – тепловой и абразивный износ деталей отличен и связан, в первую очередь, с разницей температурных интервалов варьирования вязкостью расплавленного стекла и теплофизическими, прочностными характеристиками деталей стеклоформ на различных операциях выдува стеклянного изделия.

Широкий спектр технологических операций в процессе изготовления стеклянных изделий требует стабильной работы материала деталей с максимально возможной его ресурсоспособностью. При этом стоимость изготовления такого материала должна быть сопоставима со стоимостью выпускаемого заводом стеклопродукта (рентабельность производства). По этой причине на данный момент наибольшую популярность в качестве универсального (общепризнанного) материала для практически всех деталей стеклоформ – среди отечественных и зарубежных производителей – получил серый чугун с пластинчатой формой графита (СЧПГ). Однако, эксплуатационная стойкость черновых формовых комплектов выполненных из немодифицированных СЧПГ не превышает 0, млн теплосмен и, как правило, находится в пределах 0,2…0,4 млн термоциклов [56].

Стойкость деталей чистовых стеклоформ из серого – немодифицированного стабилизирующими элементами структуру – чугуна составляет в среднем 0,35…0,45 млн теплосмен. Во многом это связано с нестабильным химическим составом материала. Примеры химических составов серых чугунов представлены в таблице 1.3.

По мнению [49, 57, 58], повысить стойкость металлической основы СЧПГ представляется возможным за счет проведения процедуры его легирования широкой гаммой элементов, позволяющей повысить разнородные свойства материала: термо-, жаро-, окалиностойкость и др. По этой причине наилучшим образом себя зарекомендовал принцип микролегирования, сочетающий в себе преимущество влияния отдельного элемента на свойства чугуна в целом [59, 60, 61]. Наибольший интерес, в этом случае, получили элементы, стабилизирующие свойства чугуна под влиянием термоциклических нагрузок (Ni, Mo), повышающие его окалиностойкость (Cr, Ni, Si, Al), упрочняющие металлическую основу (Ti, Cr, Cu) и др.

Таблица 1.3 – Химические составы немодифицированных СЧПГ Никель (Ni) получил наибольшую популярность в качестве легирующего компонента для деталей стеклоформ. Это связано с тем, что при получении отливки из чугуна никель способствует выравниванию твердости ее по сечению (за счет получения однородного мелкого графита) [62], а также препятствует формированию отбела и улучшает обрабатываемость резаньем, то есть облегчает операции дальнейшей механической обработки деталей стеклоформ [63]. Увеличивает ударную вязкость чугуна, а при компактной форме графита в чугуне устраняет коробление детали при термоциклировании за счет стабилизации свойств материала [64]. К недостаткам легирования чугуна никелем можно отнести его высокую стоимость и не самый высокий эффект коррозионной стойкости.

Молибден (Mo) под действием термоциклических нагрузок увеличивает прокаливаемость чугуна, за счет того, что является интенсивным карбидообразующим элементом и тормозит процесс графитизации [65]. Дозирование чугуна молибденом связано с приданием ему повышенной прочности и твердости при высоких температурах [66].

Значимым плюсом микролегирования чугуна молибденом до 0,5% является повышение временного сопротивления чугуна на 40…70 МПа за счет повышения однородности структуры [65]. К недостаткам присутствия молибдена в чугуне можно отнести склонность – при высокой концентрации – к образованию в структуре чугуна ледебурита.

Хром (Cr) при высоких температурах способствует повышению прочности и твердости чугуна, как за счет высокой растворимости в металлической основе (кристаллические параметры и атомные радиусы хрома и -Fe практически равны), так и по причине образования прочных карбидов высокой – (Fe, Cr)7C3, и низкой – (Fe, Cr)3C – твердости [67, 68]. Важным преимуществом легирования деталей стеклоформ хромом является то, что он даже в небольших количествах повышает ростоустойчивость и окалиностойкость чугунов [69]. Наибольший интерес для повышения комплекса свойств отливки представляет экономное легирование хромом, подразумевающее собой содержание хрома ниже первой границы стойкости (то есть когда один из компонентов чугуна при взаимодействии с окружающей средой образует защитную пленку из нерастворимых соединений) [70, 71, 72].

Титан (Ti) в небольших концентрациях в чугуне в любом диапазоне эксплуатируемых температур приводит к ухудшению его коррозионно- и жаростойкости и не оказывает заметного влияния на износостойкость, однако, практически всегда – в различных концентрациях – присутствует в чугуне [73]. Чуть заметное увеличение износостойкости чугуна, легированного титаном, связано с карбидостабилизирующим – антиграфитизирующим – свойством этого элемента во всем диапазоне концентраций графитообразования [74]. В чугуне весь титан находится в связанном состоянии в виде карбида TiC, карбонитрида Ti (C,N) или оксикарбонитрида Ti (C,N,O) [75]. Положительный эффект легирования титаном заключается в измельчении графитовых включений чугуна в процессе его кристаллизации за счет образования переохлажденного графита (включения TiC оказывают зародышевое действие на графитизацию) [76]. При этом последние исследования показывают, что для повышения эксплуатационных свойств чугуна содержание титана должно быть не менее 0,5% [77].

Медь (Cu) при относительно высоком содержании (более 1,8%) препятствует образованию феррита и шаровидного графита [78, 79]. Это связано с тем, что медь эффективно упрочняет твердый раствор, повышает степень перлитизации металлической основы, увеличивает прочностные показатели [80]. Положительным эффектом легирования чугуна медью является повышение его механических свойств [81]. Также медь способствует устранению ледебуритного отбела (при эвтектической кристаллизации чугуна) [82], за счет снижения равновесной температуры затвердевания ледебурита и усиления переохлаждения [83]. Повышает трещиностойкость чугуна при заметном повышении твердости и нивелирует структуру в тонких и массивных сечениях отливок [84].

Ванадий (V) является сильным карбидостабилизатором, образующим в чугуне карбид (Fe,V)3C [85]. При содержании более 0,5% V в структуре появляются очень крупные включения цементита, значительно снижающего механические свойства чугуна [81]. При высокотемпературном воздействии на чугун, легированный ванадием, происходят фазовые превращения в карбидах, изменяющие структуру и свойства чугуна [86]. Повышение содержания ванадия в жидком чугуне приводит к снижению скорости его дефосфорации и повышению скорости окисления самого ванадия, то есть ванадий, и фосфор в жидком чугуне, ведут себя как конкуренты по отношению к кислороду [87].

Положительным эффектом легирования чугуна ванадием является повышение структурной стабильности чугуна при высоких температурах.

Углерод (С) в обычных серых чугунах содержится в количестве от 2,7 до 3,7%.

Соответственно выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне, а для получения легированного чугуна, способного противостоять температурным нагрузкам, содержание графита компактной формы должно быть на уровне 3,0…3,5% в зависимости от условий эксплуатации деталей стеклоформ [61, 88].

Кремний (Si) способствует графитизации чугуна, увеличивает количество феррита в металлической матрице [65]. Содержание кремния в высокопрочном чугуне до 5,1% позволяет повысить его механические свойства, жаростойкость, исключить появление неметаллических включений в виде "графитовой спели" и в виде "черных пятен" оксидов и сульфидов магния, образующихся в верхних частях отливки [89, 90]. Формирует защитные антикоррозионные свойства чугуна [91]. Согласно данным [50], увеличенное содержание кремния в высокопрочных чугунах с шаровидным графитом способствует повышению устойчивости их структуры действиям циклического нагрева до температуры 900 °С. Благоприятным действием такого легирования является получение стабильной структуры: графит + кремнеферрит. Ввиду этого при дальнейшем термоциклировании исключаются процессы графитизации, связанные с ними рост и окисление при сохранении высокой прочности и твердости чугуна [92]. Однако при высоком содержании кремния (более 5,5%) снижается прочность чугуна, его ударная вязкость и твердость вследствие образования большого количества включений графита, а также образования включений второй фазы Fe3Si, в виде темных выделений по границам ферритных зерен [93], и силикокарбидов [89, 94].

Марганец (Mn) в деталях стеклоформ – в небольших количествах – оказывает положительное влияние на прочность, твердость, вязкость разрушения, способствует незначительному увеличению скорости термохимической эрозии и снижению на ~20% шероховатости рабочих поверхностей стеклоформ [95]. При этом увеличение скорости эрозии чугуна объясняется уменьшением угла смачивания и повышением в поверхностном слое оксидов марганца, легко растворяемых в расплавленном стекле, которые приводят к увеличению коэффициента адгезии с 0,64 до 0,8 [67, 95]. При увеличении содержания марганца в деталях стеклоформ от следов до 1% снижаются свойства оксидных слоев на рабочих поверхностях, что выражается в резком повышении балла с 2 до 5.

Помимо этого, высокое содержание марганца способствует карбидообразованию (Мn3С), препятствуя выделению графита и увеличивая устойчивость цементита, и ухудшению обрабатываемости чугунных заготовок резанием [96, 65]. Содержание марганца в чугуне также способствует искажению форм графита, например, в заэвтектическом чугуне с повышением содержания марганца пластинчатая форма графита изменяется от грубых, гнездообразных и изолированных включений с максимальной длиной до 200 мкм до завихренной, равномерной распределенной с длиной включений до 80 мкм [97].

Алюминий (Al) в деталях стеклоформ при содержании ~0,05% повышает вязкость разрушения в 1,5 раза, скорость термохимической эрозии – в 1,4 раза, а шероховатость – в 3,5 раза. Чугун, легированный 0,48% Al, характеризуется наименьшей адгезией стекла и высоким сопротивлением хрупких слоев разрушению [65, 95]. Чугуны, легированные одновременно хромом и алюминием, имеют высокое сопротивление термохимической эрозии, а также достаточно прочные поверхностные оксидные слои и низкую шероховатость рабочих поверхностей. Однако присутствие в чугуне 1…2% алюминия уменьшает его жидкотекучесть и способствует появлению пригара на отливках вследствие образования окислов на поверхности [98].

На основании вышеописанных и других доводов в настоящее время в производственных условиях изготавливается и используется значительное количество составов чугунов, легированных широкой гаммой элементов. Наиболее популярные химические составы низколегированных СЧПГ, применяемых для деталей стеклоформ, представлены в таблице 1.4.

Именно положительное влияние микродобавок различных элементов на эксплуатационные свойства СЧПГ привело к их широкому внедрению в практику производства отливок черновых и чистовых стеклоформ.

Чистовые формы в последнее время, как правило, изготавливают из чугунов с вермикулярным (ЧВГ) и/или шаровидным (ЧШГ) графитом, ввиду их высокой прочности и циклической вязкости [99, 100, 101]. При этом для деталей стеклоформ, эксплуатируемых по принципу двойного выдувания стеклянных изделий, наибольшую популярность получил ЧВГ [102], а для деталей, эксплуатируемых по принципу прессовыдувания – ЧШГ [103]. Химические составы ЧВГ и ЧШГ, применяемые для деталей чистовых стеклоформ представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.4 – Химические составы низколегированных серых чугунов Кроме вышеописанных химических составов чугунов, применяемых на ведущих предприятиях-изготовителях стеклянной тары, имеется достаточно большой отечественный и зарубежный опыт исследования термостойких чугунов, которые могут использоваться для эксплуатации на тепловых агрегатах (таблица 1.6). С целью повышения термостойкости такие чугуны легируют элементами, упрочняющими твердый раствор, увеличивающими твердость и работоспособность готовой детали при высоких температурах. В качестве таких элементов используют ниобий, вольфрам, церий, теллур, свинец [104-109]. И температурный диапазон термоциклической эксплуатации таких чугунов достигает 630…750° C [106].

Помимо легирования чугуна различными элементами-присадками, повысить комплекс его свойств становится возможным и за счет формирования заданных показателей металлической основы и размеров, расположения и форм высокоуглеродистой фазы [110].

ЧВГ ЧШГ

Элемент (Беларусь) Минстройматериалов" Минстройматериалов" стекольный завод" Проблема выбора перлитного или ферритного чугуна для деталей термоциклирования уже на протяжении многих десятилетий остается не решенной. Из литературных источников [110, 111] становится очевидным, что дилемма выбора той или иной металлической основы состоит в определении требований к деталям, эксплуатирующимся при термоциклических нагрузках. При "жестких" условиях эксплуатации, когда помимо знакопеременных тепловых нагрузок локальные узлы деталей испытывают механические нагрузки сжатия, то есть работают в условиях неоднородного термонапряженного состояния, авторы [111] предлагают применять перлитный чугун (преимущественно перлитный ЧШГ), то есть матрицу чугуна с высоким содержанием связанного углерода.

При этом такой материал зависим от максимальной температуры термоциклирования – при определенной морфологии цементитной фазы (например, сырого мелкозернистого сферолита или крупнопластинчатого после нормализации). При "мягких" условиях эксплуатации деталей, независимо от максимальной температуры термоциклирований (до 700…900 °С), авторы [111] предлагают применять ферритный чугун (преимущественно ЧШГ), так как термоусталостная долговечность этого материала в 1,7…4,7 раза больше по сравнению с матрицами другого типа, ввиду минимального содержания связанного углерода.

Таблица 1.6 – Примеры отечественных и зарубежных термостойких чугунов Элемент Наиболее противоречивыми выглядят сведения, касающиеся повышения термостойкости и ростоустойчивости чугунов с различной формой графита. Часть авторов [112, 113, 114] считает, что необходимым условием надежной работы деталей в условиях высоких температур является их высокая термостойкость, обеспечиваемая повышенной выносливостью материала изделия, проявляющейся в предотвращении появления трещин разгара. Не менее важными выглядят соображения по поводу формирования высокой теплопроводности деталей, работающих при быстрых теплосменах, и улучшения эксплуатационных показателей металлических изделий именно на этой основе [95, 101].

Однако высокие показатели по термостойкости и теплопроводности изделия противоречат друг другу в плане исследования структурных составляющих стеклоформ, так как самым перспективным и экономически оправданным сплавом для их изготовления является легированный чугун. Известно, что максимальной термостойкостью обладают детали с шаровидной формой графита (ШГ), а минимальной – СЧПГ [112, 113]. Например, авторами [115] установлено, что наименьшую термостойкость имеет СЧПГ, а чугуны с преимущественно шаровидной формой графита выдерживает до разрушения – появления сетки разгара – в 2,5…3,5 раза больше циклов, чем СЧПГ, а ЧВГ (80% ВГ + 20% ШГ) – в 6 раз. По данным [112], наибольшей термостойкостью обладает именно магниевый чугун, а появление в чугуне пластинчатых форм графита (ПГ) положительно влияет на рост чугуна. При этом все авторы имеют единое мнение относительно формирования микротрещин в данных чугунах: микротрещины зарождаются и развиваются преимущественно на поверхностях включений графита, а занятые графитом полости в чугуне играют роль надрезов, оказывающих существенное влияние на коэффициент концентрации напряжений (рисунок 1.7) [116].

При исследовании же теплопроводности деталей такого типа ситуация диаметрально противоположная: СЧПГ (45…60 Вт/м·град) [117] отводит тепло в 2…2,5 раза быстрее, чем ЧШГ (25…37 Вт/м·град) [118]. Вследствие этого пониженная теплопроводность ЧШГ создает значительный перепад температур по сечению детали и тем самым приводит к увеличению в ней термических напряжений, способствует возникновению трещин [119].

Из рисунка 1.7 следует, что включения графита пластинчатой формы растут в виде разветвленной розетки, которые способствуют высокой теплопроводности чугунов с такой формой графита. При этом с ростом числа теплосмен, выдерживаемых таким чугуном, значительно увеличивает вероятность формирования разгарных трещин и скорости их распространения (особенно в серых чугунах с крупным пластинчатым графитом) [114]. Шаровидная форма графита в этом случае более защищена от внешних воздействий [111].

В связи с этим на данный момент в отечественной науке и практике нет скоординированной концепции формирования конкретной структуры деталей стеклоформ. Повышение теплопроводности чугунов и их термостойкости идет по разным направлениям как за счет формирования легирующего комплекса чугуна и его модифицирования, так и за счет регулирования состояния структурных компонентов [115]. При этом все большую популярность в качестве материала для деталей стеклоформ получает ЧВГ с микролегированием [119], который изготавливают по следующим техпроцессам [121-123]:

– введением в жидкий чугун одновременно глобуляризаторов и десфероидизаторов – обработкой низкосернистого расплава РЗМ-содержащими присадками;

– введением в чугун недостаточного количества остаточного магния для образования ШГ;

– производством ЧВГ обработкой исходного расплава ваграночной плавки комплексными РЗМ;

– то же – магнийсодержащими модификаторами с небольшим содержанием алюминия и кальция.

Рисунок 1.7. Модели и структура чугунов: а – с пластинчатым графитом;

Теплофизические и механические свойства структурных составляющих чугуна представлены в таблице 1.7 [124, 125].

Кроме чугуна, в качестве материала стеклоформ применяют бронзовые и алюминиевые сплавы, выступающие как конструкционные и функциональные вставки в формовых комплектах или рабочих зонах максимального теплового удара, а также хромоникелевые стали (например, стали 20Х18Н9Т, 14Х17Н2, 40Х13, 20Х17Н2 и др.) и поковки (например, из стали 45) [125, 127]. При этом алюминиевые и бронзовые сплавы не получили широкого распространения для материала-основы деталей стеклоформ и применяются в настоящее время исключительно в качестве материалов горловых головок, венчиков, клапанов и т.п., а стальные детали – в качестве формовых комплектов для изготовления стеклянных изделий небольшой вместимости (до 0,2 л) [128]. Тем не менее, единого мнения, относительно материалов для основы данных деталей, нет. Ввиду этого, помимо разнообразия химических составов материалов, применяемых для стеклоформ, не меньшее внимание исследователи уделяют процессам их изготовления и применения [129].

структурных компонентов нелегированного чугуна [124, 125] На основании вышеизложенного следует, что практически все исследования в области повышения термической усталости и окалиностойкости материалов, применяемых для деталей стеклоформ, ориентированы преимущественно на подбор легирующего комплекса железоуглеродистых сплавов [104-109], формирование определенной морфосвойства графита параллельно (||) и перпендикулярно () плоскости базиса логии графита [99-102] и получение металлической основы материала с высокой релаксационной способностью [110-116]. Однако, при этом отсутствуют исследования, направленные на определенную структуризацию деталей стеклоформ (например, форма, размеры и количество графитовой фазы чугуна, дисперсность перлита и т.п.), а современные разработки (например, авторов Королева С.П., Александрова М.В. и др.) в сфере повышения сопротивления материала деталей стеклоформ трещинообразованию, как правило, ограничиваются применением ЧВГ и регулированием прочностным свойств стеклоформ на основе именно этого материала.

1.4 Технологии изготовления деталей чугунных стеклоформ Процесс изготовления деталей стеклоформ представляет собой ряд технологических операций:

изготовление литых заготовок;

термическая обработка (ТО) отливок;

механическая обработка заготовок с улучшенной структурой;

упрочнение рабочих кромок и (или) формообразующих поверхностей готовой Каждый этап технологического процесса обладает рядом особенностей, формируемых в зависимости от качества выполненных операций на предыдущем этапе изготовления детали. Например, обрабатываемость резаньем напрямую зависит от полученной поверхностной твердости заготовки после ее ТО. В связи с этим каждый этап всей технологической цепочки напрямую соизмерим с конечным качеством выпускаемой детали стеклоформы [130].

Производство деталей стеклоформ начинается с процесса изготовления литой заготовки со структурой литья, отвечающей задачам термоциклирования. В связи с этим на данный момент безальтернативным способом изготовления отливок стеклоформ из СЧПГ является литье расплава чугуна в разовую песчано-глинистую форму (ПГФ). При этом положительные отзывы среди производственников получил метод литья чугуна на металлический холодильник (МХ) массой 15…16 кг, помещаемый в нижнюю песчаную полуформу и, в контакте с горячим расплавом, создающий на поверхности отливки отбеленный слой на глубину 10…15 мм и переходную область "отбел–графитизированный чугун" на глубину до 35…40 мм (рисунок 1.8).

Распространенность СЧПГ связывают с основными преимуществами, такими, как [50, 54, 55]:

– относительно простой процесс приготовления;

– недорогие шихтовые материалы;

– широкий спектр регулируемых свойств;

– высокие показатели технологических возможностей.

Рисунок 1.8. Особенности изготовления отливки: I – металлический холодильник;

II – получаемая отливка: a – рабочая поверхность будущей детали; б – отбеленный слой;

Данная технология изготовления отливок стеклоформ зарекомендовала себя с положительной стороны ввиду получения:

– ответственных поверхностей в отливке с низкой шероховатостью (до 12 мкм);

– мелкодисперсного графита в рабочем слое детали размером до 10…30 мкм;

– высокой прочности ответственных узлов формового комплекта.

К недостаткам данной технологии изготовления отливок нужно отнести:

– высокую твердость формообразующих поверхностей (отбеленный слой и как следствие, половинчатость);

– формирование литейных дефектов типа горячие трещины, коробления и корольки.

По причине несоответствия структуры литья требованиям термоциклирования деталей стеклоформ заготовки из СЧПГ подвергаются ТО, как правило, отжигу. В результате на отливках частично "снимается" отбеленный слой, ферритизируется и графитизируется структура заготовок. Типичными схемами ТО3 заготовок являются:

– отжиг с выдержкой в течение 2…3 ч при температуре 630…650 °С [103];

– отжиг с выдержкой в течение 3…3,5 ч при температуре 920…950 °С в муфельных печах (ООО "MOLD TECH", г. Муром, Владимирская обл.);

– отжиг с выдержкой в течение 3,5…4 ч при температуре 900…930 °С в шахтных печах (ООО "Мехсервис", г. Гусь-Хрустальный, Владимирская обл.).

К недостаткам данного процесса следует отнести:

– высокую энергозатратность (длительность проведения ТО, включая нагрев и охлаждение заготовок, достигает 17…19 ч);

– низкий КПД процесса при проведении ТО в шахтных печах;

– неспособность протекания полной децементации в рабочем слое заготовки.

Проведение термической обработки отливок является важным, как с точки зрения снятия напряжений I рода, возникающих в чугуне в процессе затвердевания отливок, так и для улучшения литой структуры: уменьшение доли цементита – будущих концентраторов напряжений в теле детали.

Механическая обработка заготовок с улучшенной структурой Следующий этапом изготовления детали стеклоформы является процесс ее механической обработки (рисунок 1.9). Как правило, этот процесс включает операции черновой и чистовой обработки резанием, шлифования ударных поверхностей, работающих по принципу "открытия–закрытия" формы, гравировки и полировки рабочих поверхностей, контактирующих с расплавленным стеклом.

режимы термических обработок литых заготовок для стеклодувного автомата типа AL Рисунок 1.9. Механическая обработка заготовок стеклоформ В этих условиях важным фактором является полнота прохождения процессов децементации (графитизации) и ферритизации металлической основы чугуна на этапе ее ТО. Ввиду того, что именно формообразующий слой заготовки содержит структурносвободный цементит, то от выбранного режима ТО заготовок зависит трудоемкость их последующей гравировки (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10. Гравировка заготовки после механической обработки Характер механической обработки зависит от абсорбционной активности поверхностей, полученных после проведения обработки резаньем, и необходимостью и реализуемостью технологий упрочнения рабочих поверхностей и (или) кромок. Это связано с тем, что для одних технологий упрочнения необходима шероховатость 1 мкм (например, при применении вакуумных технологий нанесения износостойких покрытий), а для других – 0,1 мм (например, для процессов газопламенного или плазменной наплавки, финишного плазменного упрочнения и т.д.) [131].

Степень и сложность механической обработки значительным образом сказывается на прилипаемости стекломассы к форме (формировании посечек и других дефектов).

Это связано с тем, что при выработке стеклянного изделия на рабочую поверхность подается техническая смазка с целью устранения прямого контакта стекломассы с чугуном, обеспечения оптимального скольжения стекломассы при формовании и зашиты поверхности форм от агрессивного воздействия стекла.

Упрочнение рабочих кромок и формообразующих поверхностей Завершающим этапом технологической цепочки изготовления деталей стеклоформ, как правило, является процесс упрочнения рабочих кромок. На отечественном рынке применяется ограниченный ряд известных на данный момент методов упрочнения деталей стеклоформ, а именно: химико-термическая обработка (борирование), лазерная закалка, диффузионное и электролитическое хромирование, вакуумное ионноплазменное напыление нитрида титана, упрочнение с нанесением алмазоподобного нанопокрытия, химическое никелирование, газопламенное упрочнение [131, 132]. Применяемые способы упрочнения отличаются не только технологическим оборудованием и спецификой применения, но и затратностью процесса, в той или иной степени повышающей себестоимость изготовления готовых деталей.

Химико-термическая обработка (ХТО) позволяет в результате поверхностного диффузионного насыщения углеродом, азотом и другими элементами после проведения отжига обеспечить формирование в поверхностном слое стеклоформы более прочных и стабильных фаз и структур. Такое изменение свойств поверхности компенсирует энергетическое и структурное состояние деталей в целом и обеспечивает их повышенную износостойкость. При этом все же имеет место разброс в долговечности упрочненных ХТО деталей стеклоформ, что объясняется неоднородностью свойств поверхностного слоя после ХТО [132]. Ввиду этого, применение ХТО с целью повышения срока службы деталей стеклоформ составляет менее 1% от количества упрочняемых.

Азотирование (например, в плазме тлеющего разряда), как вид ХТО, существенным образом повышает предел выносливости формовых комплектов по сравнению с "обычными" стеклоформами, прошедшими процедуру высокотемпературного отжига по вышеописанным режимам, но при этом способствует резкому охрупчиванию материала и, как следствие, небольшие ударные нагрузки приводят к разрушению ударных поверхностей формовых комплектов [133, 134]. Вследствие этого, данный метод упрочнения деталей стеклоформ применяется очень редко.

Ионно-плазменная бомбардировка после проведения термической обработки заготовок незначительным образом повышает предел выносливости чугуна, но в то же время существенно увеличивает статическую прочность материала, не вызывая снижения его пластичности [135]. Однако применимость этого метода ограничена из-за высокой стоимости применяемого оборудования.

Нанесение алмазоподобного нанопокрытия способствует повышению поверхностной прочности как рабочих кромок формовых комплектов, так и их формообразующих поверхностей, не вызывая серьезных структурных изменений в рабочем слое материала [132, 135, 136]. Однако применение процедуры нанесения тонкопленочных покрытий приводит к созданию сжимающих остаточных напряжений на поверхности формового комплекта, в результате чего поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов в зернах, упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен, что неминуемо сказывается на состоянии структуры поверхностных слоев чугуна.

Лазерная закалка, как правило, представляет собой упрочнение чугунных кромок деталей стеклоформ непрерывными многоканальными CO2-лазерами [137]. Метод упрочнения деталей стеклоформ CO2-лазерами к настоящему времени исследовался и применялся исключительно для чугунов СЧ20…СЧ30 (с твердостью рабочих кромок после закалки 56-62 HRC, которая соответствовала мартенситу), и не исследован для деталей данного типа из ферритных, низколегированных, пластинчато-вермикулярных чугунов [138]. Однако упрочнение кромок деталей данным методом не дает стабильного результата по стойкости формовых комплектов. Это связано с тем, что в процессе работы детали зона закалки становится слоем с концентратором напряжений и по достижении определенного ресурса эксплуатации (350…450 тыс. теплосмен) рабочие кромки "покрываются" сеткой разгара и уже не подлежат дальнейшему ремонту. В связи с этим применимость данного метода упрочнения ограничена.

Наибольшую популярность среди производителей отечественных деталей стеклоформ получил процесс газопламенного упрочнения, который предполагает формирование мелкодисперсных частиц расплавленного металла и перенос их на обрабатываемую поверхность, где они удерживаются, формируя тем самым непрерывное покрытие. При этом максимальная эффективность (долгосрочность) при эксплуатации деталей стеклоформ достигается после нанесения на рабочие кромки никелевого порошка [139] (рисунок 1.11).

В качестве присадочного материала применяются самофлюсующие порошки на никелевой основе производства России, Украины, Австрии, Великобритании, Германии, Италии, Швеции и других стран. Толщина наплавляемого слоя составляет 1,5…3 мм.

Как правило, после наплавки самофлюсующихся никелевых сплавов детали дополнительно подвергаются абразивной обработке с целью выравнивания поверхности (шероховатости).

Рисунок 1.11. Газопламенное напыление никелевого порошка Недостатками всех представленных методов упрочнения являются:

– сильное местное выгорание кремния в околошовной зоне упрочнения с образованием зон отбеленного чугуна, то есть возвращением структуры материала к исходному литому состоянию, требующему дополнительной термической обработки;

– за счет физико-химических методов модификации структуры чугуна в пределах рабочих кромок происходит значительное охрупчивание рабочего слоя, что значительным образом отражается на характере ударных нагрузок в процессе "открытия–закрытия" формовых комплектов – цементации;

– повышенная пористость, как наносимого покрытия (при применении технологий газопорошковой наплавки в окислительном пламени), так и обрабатываемого слоя основного материала;

– задержка обработки в одном узле детали приводит к перегреву поверхности и как следствие, к выгоранию углерода и кремния в данном месте шва, появлению по границам зерен жидкой фазы или образованию крупнозернистого строения чугуна;

– выгорание хрома (при окислительной атмосфере обработки) и образование тугоплавких окислов с низкой коррозионной стойкостью по сравнению с основным материалом детали;

– внедрение данных процедур по упрочнению кромок готовых деталей увеличивает трудоемкость изготовления металлических изделий;

– любая операции упрочнения деталей повышает себестоимость их изготовления и приводит к росту продолжительности цикла производства и ремонта.

Применимость всех процессов упрочнения связана с высокой долей импортозамещения отечественных стеклоформ, ввиду чего отечественные стеклоформы, как правило, упрочняются газовой наплавкой или лазерной закалкой, а металлоизделия зарубежного изготовления – более технологически энергоемкими (ионно-плазменная бомбардировка, нанесение нанопокрытий).

Таким образом, на данный момент существует ряд технологических цепочек, позволяющих изготавливать детали стеклоформ с различной структурой поверхностных слоев и эксплуатационным ресурсом. Также существует множество вариантов изготовления готовых деталей: с дополнительной механической обработкой или без нее, с упрочнением рабочих кромок и формообразующих поверхностей и без него, с дополнительной ТО и без нее и т.д. Помимо этого, все современные разработки по изготовлению деталей стеклоформ (авторов Александрова М.В. [101], Тополянского П.А. [131, 132, 135, 136], Шлегеля А.Н. [137, 138] и других) предполагают применение различных процедур упрочнения их формообразующих и рабочих поверхностей. В связи с этим следует, что необходимыми условиями надежной работы деталей стеклоформ и снижения себестоимости их изготовления являются:

– получение литой заготовки высокого качества со структурой чугуна, близкой к эксплуатируемой;

– сокращение продолжительности ТО заготовок;

– устранение операции упрочнения рабочих кромок, за счет получения стабильной структуры чугуна уже на этапе изготовления отливок, и формообразующих поверхностей без снижения эксплуатационного ресурса металлических изделий.

1.5 Изготовление отливок – основа формирования свойств деталей Практически вся технологическая цепочка изготовления деталей стеклоформ представляет собой цикл последовательных операций по улучшению изготовленной в литейном цеху чугунной отливки. Последующие операции – улучшение структуры, устранение дефектов, полирование, упрочнение – обеспечивают формирование готового металлоизделия с потребительскими эксплуатационными свойствами. При этом получение чугунной отливки высокого качества и с комплексом свойств, приближенным к уже готовой детали, позволяет значительным образом облегчить последующие операции термической и механической обработок чугуна, минимизировав производственные затраты на процессы гравировки формообразующих поверхностей и упрочнения рабочих кромок. По этой причине в производственных условиях особое внимание уделяется процессу изготовления отливки с выбранным химическим составом, заданной структурой, прочностными и теплофизическими показателями, то есть с выходными параметрами, отвечающими задачам эксплуатации готовых деталей.

Перспективным способом повышения эксплуатационных свойств чугунных заготовок является легирование расплава чугуна с целью упрочнения структурных составляющих за счет образования дисперсных упрочняющих фаз, их межфазного и внутрифазного распределения [140]. На этих критериях основывается принцип получения высококачественной отливки из термостойкого чугуна с окалиностойкой поверхностью.

Важными процессами создания отливки из термоокалиностойкого чугуна с минимальным легирующим комплексом (с учетом экономичности материала, необходимости механической обработки, обеспечения высокой эксплуатационной стойкости на производственной линии) являются [141, 142]:

– правильный подбор элементов химического состава чугуна;

– контроль ввода ферросплавов и лигатур на основе этих элементов в расплав;

– контроль примесей и газов в расплаве чугуна;

– управление выбранным режимом плавки чугуна;

– соблюдение необходимых параметров внепечной обработки расплава;

– скорость затвердевания чугуна.

Выбор химического состава чугуна связан с принципом работы стеклодувного автомата и требуемым комплексом свойств деталей. В связи с этим часть заводов нацелена на получение чугуна с максимальной графитизирующей способностью [103], а другая часть – на чугуны с упрочняющей металлической основой [112].

На основе потенциалов ионизации атомов элементов и создаваемой ими в сплавах электронной концентрации можно установить направленность влияния наиболее часто встречающихся в чугуне элементов на его графитизацию и отбел (упрочнение) по следующему ряду: Cu, Ni, P / Al, Si, B, Ti, V, Mo, Cr, W, Mn, C, O, S, N, Mg, Ce / Sn, Bi [143]. Расположенные до Al элементы способствуют только графитизации чугуна, после Ce – только отбелу, остальные же элементы способствуют графитизации или отбелу чугуна в зависимости от их концентрации [143, 144]. Именно поэтому сочетание химических элементов в чугуне определенным образом оказывает влияние на его термо-, окалино- и жаростойкость.

Грамотный выбор химического состава чугуна важен и с точки зрения взаимодействия легирующих элементов с примесными и газовыми включениями в чугуне. Например, элементы Ti, V, Ni, Cr, Mn, Mo, W увеличивают растворимость азота (N) в чугуне, а Al, Cu, S, Si, P, O, Mg – уменьшают. Растворимость водорода (H) в чугуне повышают Ti, Ce, La, слабо влияют Mn, Cu, Ni, Mo, заметно понижают его растворимость C, Si, Al, B, O [47]. То есть химический состав чугуна эффективным образом должен устранять "накачивание" отливки нежелательными газообразными соединениями, активными по отношению к графиту.

Не менее важным является контроль неметаллических включений в отливке. Это связано с тем, что неметаллические включения в чугуне являются чаще всего эндогенными и поэтому их содержание в чугуне может достигать 5…6% [23]. Главным образом такими соединениями являются сульфиды MnS и FeS, оксиды системы FeO–MnO–SiO2, алюминаты, нитриды и др. [55, 145]. При этом MnS не оказывает значительного препятствия на графитообразование, а действие серы в отношении графитообразования обусловлено исключительно влиянием FeS, которое, взаимодействуя с цементитом, дает более прочное соединение, тем самым влияя на качество отливки стеклоформы и ее будущей механической обработки [145]. Для удаления серных соединений из чугуна применяют различные реагенты. Среди наиболее распространенных – кальцинированная сода (Na2CO2), карбид кальция (CaC2), известь (CaO) и магний (Mg) [146, 147, 148].

Качество будущей отливки во многом определяется процессом затвердевания расплава чугуна. Скорость затвердевания отливки формирует структуру чугуна с определенной морфологией графита и металлической основой [149-157]. На скорость затвердевания будут оказывать влияние [158, 159, 160]:

– конфигурация поверхности литейной формы;

– внешние источники захолаживания расплава – металлические холодильники;

– температура заливки расплава;

– теплофизические особенности кристаллизации расплава.

Ускоренное охлаждение в поверхностном слое отливок и связанное с этим переохлаждение расплава к началу эвтектической кристаллизации – причина формирования большого количества графитных включений, что оказывает непосредственное влияние на их размеры – образуются мелкие включения переохлажденного графита различной формы [151, 152, 161]. Помимо этого, на морфологию графита в чугуне оказывают значительное влияние параметры его внепечной обработки (модифицирования, термовременной обработки, рафинирования и т.д.), в первую очередь сфероидизация углеродистых включений [161, 162]. При затвердевании модифицированного чугуна зародыши графита проходят стадию роста в кинетическом режиме [162, 163], при котором размер кристалла графита лимитируется линейной скоростью роста его граней в расплаве чугуна, что связано с межфазным натяжением на границе "кристалл графитарасплав".