ВЫБОР ЧУГУНА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОФОРМ
Барчуков Д.А., Лаврентьев А.Ю., Мельников И.В. (ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», г. Тверь, РФ)
General requirements to the structure and properties of cast irons are given. The technology of edge welding is described. The microstructure of gray and ductile cast irons in the welded region is examined. Recommendations on the improvement of the technology of edge welding of cast iron for clean glass molding are given.
Чугуны для производства стеклоформ должны соответствовать определенным требованиям, которые сказываются на дальнейшей эксплуатации формокомплекта.
Основным показателем, определяющим устойчивость стеклоформы к выгоранию, является микроструктура чугуна на глубине 5 мм, которая соответствует зоне рабочего слоя формы после механической обработки [1]. В этой зоне важна мелкозернистая структура чугуна, которая препятствует выгоранию углерода и улучшает полируемость формы.
Другим показателем, определяющим теплопроводность и отсутствие коробления форм, является микроструктура чугуна на глубине 30 мм. В этой зоне предпочтительной является микроструктура с пластинчатой формой графита, поскольку такой чугун обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с другими видами чугуна. Теплопроводность повышается при увеличении доли феррита в структуре матрицы [2, 3].
ОСТ 21-75-88 «Формовые комплекты для стеклоформующих машин. Общие технические условия» определяет общие условия при проектировании, изготовлении и поставке формовых комплектов [4]. В части «Требования к материалам, отливкам, деталям и комплектующим изделиям» имеются указания о микроструктуре чугуна формующих поверхностей деталей формового комплекта. Эти характеристики должны определяться в соответствии с ГОСТ 3443-77.
Кромки стеклоформ наплавляют с целью увеличения их износостойкости за счет уменьшения выкрашивания материала. Повреждения кромок вызывают образование заусенцев в плоскости разъема на стеклянных изделиях. Один из распространенных способов наплавки кромок в производстве – газовая порошковая наплавка.
Трудности при газовой сварке (наплавке) чугуна в основном связаны с тремя факторами: возможностью отбеливания чугуна и появления структур закалки, склонностью к образованию трещин в металле шва и околошовной зоне, склонностью к порообразованию в металле шва. Для устранения указанных трудностей большое значение имеет подбор соответствующих режимов нагрева и охлаждения металла шва и основного металла [5].
Опыт изготовления и эксплуатации чистовых стеклоформ на одном из предприятий Тверской области выявил существенное противоречие. Стеклоформы, изготавливаемые из ковкого чугуна, обладают высокой стойкостью к выгоранию, однако наблюдается разрушение наплавленных кромок по зоне сплавления. Стеклоформы, изготавливаемые из серого чугуна, имеют более низкую стойкость к выгоранию, но замечания по преждевременному выходу из строя кромок отсутствуют.
В связи с недостаточной стойкостью к выгоранию стеклоформ, изготовленных из серого чугуна, и принятием решения об их изготовлении из ковкого чугуна, была поставлена задача определить основные причины преждевременного выхода из строя стеклоформ, изготовленных из ковкого чугуна, из-за разрушения наплавленного сплава по зоне сплавления.
Чистовую стеклоформу изготавливали из ковкого и серого чугуна от нескольких поставщиков. Подготовка поверхности перед наплавкой включала в себя обезжиривание заготовки, удаление грязи и масла.
В качестве наплавочного использовался самофлюсующийся порошковый материал COLMONOY 234-F на никелевой основе. Нанесение сплава на форму производили ацетиленовой газопламенной наплавкой. Процесс наплавки осуществлялся на предварительно подогретую в печи заготовку до температуры 800 0С с выдержкой при данной температуре в течение 30 мин. Перед подогревом на заготовку наплавлялся тонкий слой никелевого сплава с целью защиты заготовки от окисления в зоне последующей наплавки.
Содержание вредных примесей, в первую очередь серы, способствует отбеливанию чугуна и влияет на качество сплавления – снижается технологическая прочность. Было определено содержание серы в сером и ковком чугуне, значение которого составило 0,020 – 0,062 %, что соответствует допустимым значениям.
Образцы для металлографических исследований из формы после наплавки вырезали дисковой фрезой. Для обеспечения более удобной работы, а также с целью уменьшения «заваливания» кромки некоторые образцы фиксировали в стальной оправке.
Затем проводили шлифовку и полировку. Форма графита определяли на непротравленных образцах. Для выявления структуры металлической основы образцы протравили 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
Образцы из первой партии имели условные обозначения 1 и 2.
В результате металлографических исследований в наплавленном металле выявлены отдельные поры диаметром около 5 мкм. Существенных различий в структуре наплавленного металла не выявлено. Структура метала однородная, отсутствуют трещины.
Образец 1 - чугун серый (графит пластинчатый завихренный).
Образец 2 - чугун ковкий (графит хлопьевидный).
В зоне термического влияния наблюдается существенный переход углерода из графита в металлическую основу с увеличением доли перлита и уменьшением размера включений графита (рис. 1, 2). В структуре зоны сплавления выявлена цементитная сетка (вторичные карбиды по границам зерен) (рис. 2, а).
Вторая партия образцов, полученных с предприятия – поставщика чугуна, изучалась аналогично первой. Образцы имели обозначения 3 и 4.
а) б) в
Рисунок 1 - Микроструктура чугуна (образец 1): а - зона сплавления; б - зона термического влияния; в - глубинные слои
а) б) в)
Рисунок 2 - Микроструктура чугуна (образец 2): а - зона сплавления; б - зона термического влияния; в - глубинные слои
Образец 3 - получен с предприятия - поставщика чугуна. По заверениям предприятия данная структура обеспечивает наилучшие эксплуатационные свойства формокомплектов (рис. 3). Образец соответствует требованиям ОСТ 21-75-88 (серый чугун; графит завихренный, пластинчатый; металлическая основа - феррит).
Образец 4 - наплавлялся на предприятии - изготовителе стеклоформ. Микроструктура чугуна представлена на рис. 4. Образец 4 не соответствует требованиям ОСТ 21-75-88 (ковкий чугун; графит хлопьевидный; металлическая основа – перлит до 90%, около 10% - феррит). В зоне сплавления наблюдается сетка вторичного цементита по границам зерен.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
- целесообразно рекомендовать на предприятии в процессе входного контроля исследовать вид чугуна и форму графита, химический состав чугуна, включая содержание вредных примесей;
- карбидная сетка, выявленная в зоне сплавления, охрупчивает материал и тем самым увеличивает вероятность разрушения наплавленного слоя в процессе эксплуатации формокомплектов;
- необходимо уменьшить время выдержки и температуру нагрева заготовок перед наплавкой, а также жестко регламентировать тепловложение при наплавке. Нецелесообразно нагревать заготовки из ковкого чугуна выше 5000С. Перегрев заготовок приводит к образованию перлитной структуры и снижению стойкости формокомплектов.
а) б) в)
Рисунок 3 - Микроструктура чугуна (образец 3): а - зона сплавления; б - зона термического влияния; в - глубинные слои
а) б) в)
Рисунок 4 - Микроструктура чугуна (образец 4): а - зона сплавления; б - зона термического влияния; в - глубинные слои
Литература
1. Тодоров P. П. Структура и свойства ковкого чугуна. -М.: Машиностроение, 1974. -159 с.
2. Марукович Е.И., Карпенко М.И. Износостойкие сплавы. – М.: Машиностроение, 2005. – 428 с.
3. Королёв С. П., Королёв В. М., Худокормов Д. Н. Чугун с вермикулярным графитом материал для стеклоформ // Литейное производство. -1996. -№1. -С.6-8.
4. ОСТ 21-75-88 «Формовые комплекты для стеклоформующих машин. Общие технические условия».
5. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. II. Технология и оборудование. Справ. Изд. /Под ред. В.М. Ямпольского. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана 1998. -574 с.