Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационно-аналитический обзор состояния вопроса 14
1.1 Стекломасса как агрессивный реагент 14
1.2 Особенности эксплуатации деталей стеклоформ 20
1.3 Материалы деталей стеклоформ 28
1.4 Технологии изготовления деталей стеклоформ 40
1.5 Изготовление отливок – основа формирования свойств деталей 48
Выводы по главе 1 52
Глава 2. Исследование жизненного цикла материала чугунных деталей стеклоформ 55
2.1 Методики исследований чугунов 57
2.2 Исследование литой структуры чугунных отливок стеклоформ 69
2.3 Исследование структуры чугуна после термической обработки литых заготовок 73
2.4 Исследование структурных аберраций при упрочнении деталей чугунных стеклоформ 80
2.5 Эксплуатационная трансформация структуры деталей чугунных стеклоформ 84
2.6 Пути повышения эксплуатационной стойкости материала деталей стеклоформ 96 Выводы по главе 2 101
Глава 3. Исследование технологических методов формирования дифференцированной структуры материала отливок стеклоформ 105
3.1 Исследование влияния легирования на свойства и структуру чугуна 105
3.2 Исследование влияния модифицирования расплава на морфологию графита в чугуне 114
3.3 Компьютерное моделирование процессов затвердевания отливок стеклоформ 125
3.4 Направленное структурообразование как метод регулирования свойств отливки 131
3.5 Математическая обработка результатов исследований 148
Выводы по главе 3 156
Глава 4. Технологии формирования дифференцированной структуры литья 159
4.1 Изготовление отливок стеклоформ и их термическая обработка 159
4.2 Оценка теплофизических свойств деталей стеклоформ с дифференцированной структурой 166
4.3 Контроль электрического сопротивления в деталях стеклоформ как метод прогнозирования их эксплуатационной стойкости 172 Выводы по главе 4 181
Глава 5. Внедрение результатов исследований 182
5.1 Организационно-технические мероприятия 182
5.2 Экономическая эффективность внедрения технологии 182
5.3 Перспективы применения разработанной технологии 194 Выводы по главе 5 196
Заключение 198
Список литературы
- Материалы деталей стеклоформ
- Исследование структуры чугуна после термической обработки литых заготовок
- Компьютерное моделирование процессов затвердевания отливок стеклоформ
- Оценка теплофизических свойств деталей стеклоформ с дифференцированной структурой
Введение к работе
Актуальность работы. Высокий рост потребительской активности населения сформировал массовый спрос на стеклянные изделия различного назначения. Основными заказчиками стеклянных изделий являются химическая, пищевая, фармацевтическая и косметическая промышленности, которые потребляют флаконы, пузырьки, банки, бутылки, графины, колбы и другую тару. Популярность полых стеклянных изделий связана с относительно невысокой их стоимостью, повышенной прочностью, способностью получения практически любой конфигурации и рециклингом сырья для производителей стеклянных изделий.
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 оборудования. Наибольшей дефектности в процессе эксплуатации стеклоформующей оснастки подвержены детали стекло-форм (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.
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, ока-линостойкости, 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 стеклофор-мующей 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.
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., Косни-ков 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. Осно-
4 вополагающие труды о взаимодействии стекла и металла – и физико-химическом влиянии их 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 актуальной научно-технической проблемой, представляющей значительный практический и научный интерес, является разработка малозатратной и достаточно просто реализуемой на отечественных предприятиях технологии изготовления отливок стеклоформ с комплексом свойств, которая позволяет изготовить из них детали с ресурсом эксплуатации выше ранее указанного уровня.
Область диссертационного исследования соответствует концепции федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса РФ на 2014–2020 годы" (распоряжение от 02.05.2013 г. № 736-р), государственным программам "Развитие науки и технологий" Российской Федерации на 2013–2020 годы (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 по итогам конкурса за 2011 г. Материалы диссертации были представлены на конкурсе компании "ОПТЭК", проводимом в 2013/14 г. для получения грантов на выполнение научно-исследовательских работ, конкурсе на право получения 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" 2014 г. (Skolkovo Community) в номинации "Новые производственные технологии для машиностроения", программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" (г. Нижний Новгород).
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 строя; – обзор и обобщение современных теоретических и экспериментально-промышленных 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, вариантов технических схем заливки и затвердевания расплава чугуна на структурообразование отливок и изменение комплекса их свойств; – исследование формирования структуры деталей стеклоформ на основе компьютерного
5 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 стек-лоформ, 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;
– разработана 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 структурообра-зование 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 стеклофор-мы 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;
6 – разработана и прошла промышленное опробование на ОАО "Литейно-механический 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 сферо-литов 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, предельный ресурс эксплуатации и ремонтопригодность;
– экономический эффект от внедрения технологии изготовления отливок стеклоформ с дифференцированной структурой литья составил 408 000 руб./1000 отливок.
На защиту выносятся следующие положения: – результаты исследований физических и химических процессов износа деталей стекло-форм, 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.
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 "ЧШГЧВГСЧПГ", 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.
Достоверность результатов обеспечивалась использованием высокоточного современного оборудования и приборов, методов и методик исследований, соответствующих действующим стандартам.
Эмпирический материал диссертации базируется на исследовании свойств более 30 формовых комплектов (как отечественного, так и зарубежного изготовления), проведении свыше 40 плавок, с получением более 140 экспериментальных отливок стеклоформ.
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 их из строя; выбор цель 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 кафедры "Машиностроительные технологические комплексы" Зиновьеву Ю.А. за консультации и предоставленные информационные материалы, сотрудникам Нижегородского государственного технического университета, ОАО ННИИММ "Прометей" (г. Нижний Новгород) и ОАО "ЛМЗ" (г. Семенов), оказавшим помощь при подготовке диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX и X Международной научно-практической конференции "Литейное производство сегодня и завтра" (г. Санкт-Петербург, 2012-2014 гг.); 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 23 публикациях в виде статей в рецензируемых журналах и материалах конференций, в том числе 9 – 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, 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. Общий объем диссертации составляет 245 страниц машинописного текста, 90 рисунков и 40 таблиц. Список литературы включает 217 источников. Объем приложений составляет 26 страниц.
Материалы деталей стеклоформ
Вышеописанный принцип скоростного двойного выдувания стеклянного изделия в бесперебойном режиме "открытия–закрытия" формовых комплектов оказывает значительное разрушающие воздействие на формообразующие поверхности деталей стекло-форм. 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 меха-1 слой, 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 (К) - работа Викельма-на А. и Шота О. [22], согласно которой: (1.2) СРР где ср - удельная теплоемкость материала при постоянном давлении, Дж/(кг-К); тв предел прочности, МПа; Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Е - модуль упругости материала при растяжении, МПа; р - плотность материала, кг/м3; а - коэффициент линейного расширения, К-1.
Из приведенного уравнения следует, что эксплуатационная стойкость деталей прямо пропорциональна прочности материала и обратно пропорциональна коэффициенту линейного расширения и модулю упругости, а чем выше Л./с р, 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 воспользоваться следующей зависимостью: N„ =iv„(cr..,..,r,f,—,—,—,—,—, —...), (1.3) р р у у Ы Ы Ы дх дх дх где а - нормальные напряжения, МПа; є - деформация; Т - 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: \nNp=a + bASХИМ + сASM + JAW + eASMASuПЛ, (1.4) где a,b,с,d,e - константы; ASХИМ, ASM, ASuПЛ - 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: \EF у т0,2 хЕ N =f(— р Я\ ,є,ер), (1.5) р Е Е Е р где N - число циклов до разрушения материала, ед.; ер - деформация при разрыве; у -удельная поверхностная энергия, Дж/м2; а0 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 стекло-формы, где Т - температура разогрева формового комплекта, К, є - 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 а = 0, то можно определить эксплуатационные условия работы кромок деталей, определяемых зависимостью энтропийного параметра a IТ от деформации є (рисунок 1.6, б), где єТ - точка начала пластической деформации.
Исследование структуры чугуна после термической обработки литых заготовок
Измерение предела прочности на растяжение определяли на образцах диаметром 10 мм с расчетной длиной 50 мм, согласно ГОСТ 1497-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение", устанавливающему условия проведения и методы испытаний металлов на растяжение. Испытания производили на разрывной машине Inspekt 100 table (Hegewald & Peschke Mess-und Praeftechnik GmbH) с точностью измерения 1-ого класса, имеющей редактор измеряемых параметров, единиц измерения, процедур вычисления и результатов испытаний.
Подготовка образцов для исследований
В процессе исследований с каждой плавки чугунов отбирались отливки, из которых в дальнейшем вырезались темплеты толщиной не менее 10 мм для определения микроструктуры. С этой целью в подготовке образцов применялись абразивные отрезные, токарные станки и прецизионные пилы; прессы для запрессовки образцов; автоматические шлифовально-полировальные станки.
Травление шлифов осуществлялось 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты (согласно ГОСТ 4461-77). Чистой полированной поверхностью образец на несколько секунд опускали в фарфоровую чашку с реактивом, затем после травления промывали этиловым спиртом и высушивали фильтровальной бумагой.
Для выявления раздробленных цементитов и карбидов применялось травление в пикрате натрия: на 2 г пикриновой кислоты, растворенной в 100 см3 воды, готовилось 25 г едкого натра, медленно добавляемого к раствору. Травление производилось до окрашивания цементита в темный цвет.
Анализ микроструктуры чугуна осуществлялся методами автоматического анализа изображения с использованием анализатора изображений SIAMS и применения программных фильтров Image Expert Pro.
Термическую обработку образцов проводили в электрических муфельных печах типа ПМ и СНОЛ–М1 У42 (ТУ–531.507–74), а отливок стеклоформ из чугуна – в камерных высокотемпературных электропечах типа ПК–90/1400 и СНО с массой садки 200…1500 кг, оснащенных блоком управления БУЭП–04, термопарами моделей ПК18 (с измерителем температуры ИТ1) и ХА (по ГОСТ 3044–84) и системой регулирования температурой с точностью +1 С.
При исследовании микроструктур образцов учитывалось, что сечение металло-шлифа делит большую часть зерен чугуна не по их максимальному "диаметру", так как зерна имеют разный размер в разных направлениях в толще отливки после зоны полного отбела, где нет четко просматриваемой ориентации цементитных зерен в направлении градиента охлаждения литой заготовки. По этой причине во всех опытах контролировался как максимальный, так и минимальный размеры зерен. Результаты всех испытаний образцов и их исследований представлены в работе после статистической обработки с доверительной вероятностью 95%.
Измерение электрического сопротивления
Электрическое сопротивление измерялось с целью оценки термической усталости и трансформации структуры материала деталей стеклоформ при помощи микроомметров MMR-620 (погрешность ±0,25% от измеряемой величины) и БСЗ-010-2 (погрешность 0,1…0,2% от измеряемой величины в диапазоне измеряемых сопротивлений 10 нОм…1 Ом), а также по принципу двойного моста (рисунок 2.2) (подробная схема измерения представлена в п. 4.3 главы 4). В представленной схеме "равновесность" измерений достигалась равенством устанавливаемых сопротивлений R1=R3 и R2=R4. При этом соблюдалось равенство согласно формуле 2.4:
Окалиностойкость чугуна оценивали по ГОСТ 6130–71 "Металлы. Методы определения жаростойкости" весовым методом по увеличению массы образца после выдержки образцов в печи в течение заданного времени (50 ч) при постоянной температуре (800 С). Для испытаний применялись цилиндрические образцы, вырезанные из отливок стеклоформ (таблице 2.9).
Грани образцов были скруглены радиусом 1,5... 1,8 мм. Муфельная печь типа ПМ была снабжена автоматической регулировкой температуры с точностью ±5 С. Для оп 69 ределения массы и плотности образцов применялись электронные аналитические весы HT/HTR-CE с гидростатическим взвешиванием (точность ±0,1 мг).
Ростоустойчивость чугуна определяли на образцах длиной 10…100 мм и диаметром 10…20 мм после выдержки в печи в течение заданного времени (50 ч) при постоянной температуре испытаний (800 С).
Исследование литой структуры чугунных отливок стеклоформ
Экспериментальным путем в условиях ООО "Мехсервис" было определено, что формирование литой заготовки по принципу литья расплава чугуна в песчано-глинистую форму (ПГФ) на металлический холодильник (МХ) способствует [158]: – получению мелкодисперсного графита в рабочем слое (10…15 мм) заготовки; – устранению технологической операции изготовления песчаных стержней; – повышению прочностных показателей отливки.
Однако, традиционная технология литья на МХ имеет и ряд недостатков, к числу которых можно отнести [159]: – длительность цикла изготовления технологической оснастки ответственного назначения (холодильников, литейных моделей и пр.); – нестабильность толщины получаемого отбеленного слоя; – наличие дефектов литья в виде короблений и горячих трещин; – присутствие половинчатой структуры, сформировавшейся за счет повышенного теплоотвода со стороны МХ; это связано с высоким содержанием углерода в граничном слое "стеклоформа–холодильник" и медленной скоростью охлаждения отливки в отдельных её частях; – длительность и энергоемкость процесса последующей термической обработки заготовок; – дороговизна процессов изготовления и ремонта изношенных стеклоформ.
Помимо этого данная технология способствует формированию большого количество брака (поры, горячие трещины, выкрашивание структурных компонентов на этапе механической обработки), устранить которые не представляется возможным ввиду высоких требований деталей стеклоформ к чистоте формообразующих поверхностей и структуре рабочих слоев. По этой причине в качества базы для проведения исследова 70 ний был выбран материал, применяемый на заводах ООО "MOLD TECH" (г. Муром) и ООО "Мехсервис" (г. Гусь-Хрустальный) для изготовления черновых и чистовых стек-лоформ для стеклодувных автоматов типов BB–7, У–8 и AL-1110 – низколегированный серый чугун.
Структура литой заготовки стеклоформы (ВВ7-В-31-4-500-Финская), изготовленной на ООО "MOLD TECH" представлена на рисунке 2.3. На рисунке 2.4 представлена структура литой заготовки стеклоформы (АЛ-1110 ТО-43-1000-Гелиос.111-2011.22683), изготовленной на ООО "Мехсервис".
Компьютерное моделирование процессов затвердевания отливок стеклоформ
Ключевым фактором, оказывающим влияние на ресурсоспособность деталей, выступает химический состав чугуна. Изучение особенностей эксплуатации деталей стек-лоформ и основных путей повышения комплекса их свойств показало, что одним из таких способов является легирование чугуна элементами – Si и Al. В таблице 3.1 представлено влияние Si и Al на формирование структуры чугуна [176]. Помимо описанных в главе 1 положительных эффектов легирования чугуна, добавка в чугун Si и Al позволяет в значительной степени снизить себестоимость применяемых для плавки шихтовых материалов и номенклатуру дозируемых в расплав чугуна ферросплавов.
Процесс легирования (элементами Si и Al) в отливках стеклоформ основывается на стабилизации квазихимического состава чугуна в поверхностном слое и придания, таким образом, детали комплекса рабочих свойств – термостойкости и окалиностойко-сти. По этой причине важным является легирование чугуна кремнием с дальнейшим определением твердости отливки, микротвердости металлической основы чугуна, предела его прочности, теплопроводности и окалиностойкости, оценка микроструктуры чугуна на предмет трещинообразования и пригодности для термоциклирования. На основании работ [50, 65, 89-95, 98] были выбраны диапазоны варьирования химическим составом чугуна: по Si – 1,5…6,0% (первый ряд экспериментов); по Al – 0,1…1,0% (второй ряд экспериментов).
Примечание: "+" – положительное влияние на образование фазы; "0" – отсутствие влияния; "–" – отрицательное влияние на образование фазы
В первом ряде экспериментов исследовались химические составы чугунов, представленные в таблице 3.2 и разбитые на группы в зависимости от содержания кремния: состав 1 – чугун с низким содержанием кремния; состав 2 – с содержанием кремния базового состава чугуна предприятия ООО "Мехсервис"; составы 3, 4 – чугуны с содержанием кремния выше базовых составов чугунов; составы 5, 6 – чугуны с повышенным содержанием кремния.
Характерной особенностью чугуна химического состава 3, модифицированного ФСМг7 в навеске 0,5% от массы жидкого чугуна и отливаемого на металлический холодильник массой 15,3 кг, являлось присутствие горячих трещин в поверхностном слое (трещины встречались на глубину до 10 мм от кромки отливки) в уже литой заготовке величиной до 200 мкм и шириной 10…60 мкм. При этом микротрещины в заготовке выявлялись только методами металлографического анализа (исследовано более 12 отливок стеклоформ). Таким образом, отличительной чертой чугуна данного состава являлась перлитизация металлической основы (более 95% П) и образование трещин (максимальное количество – 5 шт. на 1 см2) по границам зерен графита и ферритной "оторочки" (рисунок 3.1, а).
Дозирование чугуна 3,5…4% кремния исключило образование горячих трещин в отливке стеклоформы при незначительной ферритизации металлической основы (более 80% П) (рисунок 3.1, б)
Путем легирования чугуна кремнием в диапазоне 4,0…4,5% (состав 5 таблицы 3.2) в результате была достигнута инверсия микроструктуры чугуна (рисунок 3.1, в, г) – доля феррита на глубине 15…35 мм превысила 90% (Ф92), а доля перлита уменьшилась до 8…10%.
Последующее увеличение содержания кремния в чугуне выше 5,0% (состав 6 таблицы 3.2) способствовало формированию его высокой пористости (4…5%), видимой невооруженным глазом только после механической обработки, неметаллических включений и высокой твердости отливок (выше 300 HB). Высокая доля открытых пор, "вскрытых" на этапе механической обработке, не позволила добиться качества рабочих поверхностей деталей стеклоформ, требования к которым представлены в п. 2.6. Полученные химические составы и свойства чугунов представлены в приложении 5.
Таким образом, по результатам первого ряда экспериментов установлено, что высокое содержание углерода (до 3,5%) и кремния (4,5…5,0%) обеспечило формирование в чугуне большого количества графитовых включений в легированной кремнием фер-ритной матрице, обладающей достаточным запасом вязкости при высокой твердости кремнистого феррита (156…210 HV). Достаточность углеродного эквивалента оценивалась по экспресс-анализу контроля степени отбела пробников (рисунок 3.2).
Во втором ряде экспериментов исследовались химические составы чугунов, представленные в таблице 3.3 и приложении 6.
Легирование чугуна алюминием при высокой скорости затвердевания отливок (литье на металлический холодильник массой 15,3 кг) приводило к формированию литых заготовок стеклоформ высокой пористости, что вероятнее всего связано с образованием водородных пузырей. Комплексное воздействие Al, Mg и Mn благоприятствовало газонасыщению отливки водородом и кислородом [177]. Пористость отливок составила 2,2…6,9% (на рисунке 3.3 показана микропористость отливок, легированных 0,3…0,5% Al и содержащих 0,091 (в) и 0,02 (г) остаточного Mg в различных слоях заготовки). Площадь шлифа для металлографического исследования составила 235,5 мм2. Предел прочности образцов на разрыв был лимитирован 270 МПа. При этом во всех экспериментах второго ряда была получена структура литья, отличающаяся высокой долей перлита (более 55%) в пределах рабочего слоя (до 12…16 мм) (рисунок 3.3, б), высокой пористостью (до 6,9%), низкой степенью шаровидности графита (55…80%) (рисунок 3.3, а). Это не позволило изготовить отливки стеклоформ с шероховатостью поверхностей, обозначенных в п. 2.6.
Оценка теплофизических свойств деталей стеклоформ с дифференцированной структурой
Проведенные эксперименты и сбор статистических данных по результатам проведения плавок и изготовления готовых формовых комплектов позволили заключить, что необходимая дифференцированная структура литья достигается за счет получения: - определенного химического состава чугуна, способного регулировать долю феррита и его прочностные свойства; - заданной морфологии графита в отдельном слое литой заготовки; - мелких включений графитовых сферолитов в рабочем слое отливки. Соответственно значимыми факторами, определяющими ресурс эксплуатации формовых комплектов, будут являться: – z1 – степень ферритизации металлической основы (зависящая от химического состава выплавляемого чугуна и условий его затвердевания) преимущественно в рабочем слое литой заготовки: z1–=Ф0, z1+=Ф100 (%); – z2 – степень глобуляризации графитовых включений (зависящая от полноты протекания процесса сфероидизирующего модифицирования чугуна) преимущественно в рабочем слое литой заготовки; для оценки глобуляризации графита применялся принцип расчета степени шаровидности графитовой фазы в программах Image Pro Expert и Image-Pro Plus 6, оснащенных модулем автоматического расчета и классификации структурных "объектов": z2–=0, z2+=100 (%); – z3 – величина зерен графита в рабочем слое (до 10 мм) (зависящая от скорости затвердевания расплава чугуна: чем выше скорость, теме мельче зерно): z3–=10, z3+=120 (мкм).
Степень глобуляризации графита оценивалась по применимости модификаторов, при навеске не менее 0,5% от массы жидкого чугуна. Степень усвоения модификаторов оценивалась по структуре получаемых отливок – шаровидности графитовой фазы. Каждый эксперимент повторялся не менее трех раз.
Представим исходную матрицу планирования эксперимента (таблица 3.12), где y (N) – эксплуатационная стойкость деталей (в тыс. теплосмен).
Статистические данные по стойкости отбирались с использованием методов планирования экспериментов. Для составления матрицы экспериментов привлекалась методика рационального планирования экспериментов, которая позволила получить эмпирические зависимости для множественной корреляции при минимуме опытов. Для решения данной задачи возможно применение методов полного (ПФЭ) или дробного (ДФЭ) факторных экспериментов. Так как ПФЭ позволяет получить несмещенные оценки градиента функции отливки именно в центральной точке, то есть дает более точный результат оптимума, то воспользуемся именно этим методом для решения задачи. Анализ выполнялся в следующей последовательности [195]: – кодирование переменных; – достраивание матрицы планирования в кодированных переменных м учетом парных взаимодействий и дополнение столбцом средний значений отклика; – вычисление коэффициента уравнения регрессии; проверка вычисленных коэффициентов на значимость, предварительно определив дисперсию воспроизводимости, и получив уравнение регрессии в кодированных переменных; проверка полученного уравнения на адекватность; проведение интерпритации полученной модели; выписывание уравнения регрессии в натуральных переменных.
1. Доказано, что формирование дифференцированной структуры литья, отличающейся гетерогенностью строения по сечению отливки и гомогенностью – в пределах определенного слоя, является возможным при регулировании ключевых факторов формирования химического и фазового состава заготовки, а именно:
– легирования чугуна кремнием, соединения которого с железом обеспечивают повышение прочности и твердости феррита, а также высокую степень графитизации чугуна; при этом наибольший эффект достигается при легировании чугуна 4,5…5% Si; дозировка чугуна алюминием в количестве более 0,1% приводит к повышенной пористости заготовок; низкое содержание Cr и Mn позволяет устранить карбидообразование в отливке при сохранении ее окалиностойкости; – модифицирования чугуна по sandwich-процессу с применением трехслойной загрузки модификатора в реакционный карман литейного ковша (в последовательности: глобуляризатор–графитизатор–стальная сечка, и применении прединоку 157 лирующего модификатора) с дозированием 0,5…0,6% ФСМг7 (или 0,4….0,45% СферомагТМ 700), обеспечивает формирование дифференцированной структуры литья по типу ЧШГ–ЧВГ; при дозировании расплава чугуна 0,45…0,5% ФСМг7 и послойном формировании отливки образуется структура литья типа ЧШГ–ЧВГ– СЧПГ в направлении от рабочей поверхности отливки; – направленного затвердевания отливки, обеспечивающего формирование преимущественно ферритной металлической основы (с количеством перлита 8…10%) и графитовых включений ориентированных в направлении теплоотвода размерами 8…10 мкм в пределах рабочего слоя заготовки (на глубину до 15 мм), 25…45 мкм в переходном слое (на глубине 15…40 мм) и крупных включений 45…120 мкм в наружном слое.
2. Установлено, что в зависимости от условий затвердевания чугуна в отливках стеклоформ может превалировать как ферритная ( Ф50), так и перлитная ( П50) металлическая основа. В зависимости от скорости затвердевания чугуна (4,1…103 мм/мин) и его химического состава, перлит в отливке может присутствовать как в зернистой (с твердостью 160…175 HB), так и в пластинчатой (реже аномальной) форме (с твердостью 220…350 HB). По мере увеличения скорости затвердевания чугуна зернистая форма перлита сменяется пластинчатой, а затем крупнопластинчатой.
3. Выявлено, что направленное структурообразование чугуна, помимо регулирования морфологии графитовых включений (ШГ, ВГ, ПГ), позволяет контролировать количество, форму и размеры цементитной фазы чугуна (цементит + цементит ледебурита). Установлено, что ее содержание в чугуне изменяется по обратной экспоненциальной зависимости в направлении от контактной с металлическим холодильником кромки до наружной поверхности отливки.
4. Определено, что литейная краска, наносимая на металлический холодильник массой 9,3…10,25 кг, оказывает влияние как на химический состав чугуна в поверхностных слоях отливки (за счет присадок, интенсифицирующих графито- и ферритообра-зование чугуна), так и выступает в роли теплоаккумулирующего барьера для регулирования формы и размеров структурных компонентов чугуна.
