Prospects of application the cast iron of details with a differentiated cast structure on the example of the glass-forming technological equipment

Full Text

Подавляющее большинство деталей современных агрегатов работает в нестационарных термомеханических условиях, когда определенные части и узлы литых деталей подвергаются более интенсивному износу, чем основная их масса. Это может быть обусловлено как формированием фрикционных механизмов разрушения ответственных поверхностей, так и структурной трансформацией материала изделия за счет термомеханических нагрузок и протекающих в этих условиях превращениях. Все это способствует тому, что наиболее ответственная часть (узел) литой детали разрушается, а основная масса металлоконструкции остается невредимой или имеет незначительные повреждения. Однако обеспечить ремонт таких деталей современными средствами (газовая наплавка, поверхностная лазерная закалка и т. п.) не представляется возможным (ввиду появления микронесплошностей или изменения массы и размеров ответственных узлов), и такие детали отбраковываются в металлолом с дальнейшей их утилизацией (как правило, переплав в металлургических печах). Решение данной проблемы становится очевидным при рассмотрении тела любой детали как композита со слоистой структурой, несущей в каждом отдельном слое свой комплекс технологических и функциональных свойств используемого материала. Например, детали стеклоформ испытывают высокие циклические тепловые (до 750…850 °С) и ударные механические (до 1,5…2,5 атм) нагрузки со стороны расплавленного стекла и компонуемых узлов на момент изготовления стеклянного изделия. При этом (в 99 % случаев) детали стеклоформ выходят из строя по причине нарушения сплошности материала на глубину не более 10 мм от рабочей поверхности, основная же масса формового комплекта остается невредимой и пригодной для дальнейшей эксплуатации. Подобным же образом (циклический нестационарный тепловой режим) эксплуатируются кокили, изложницы, пресс-формы для пластикового литья и т. д., то есть детали конструкций, в которых в «жестких» условиях эксплуатации находятся лишь ее отдельные узлы, блоки или части. Сказанное выше подтверждает тот факт, что моносплавные (состоящие из сплава одной марки) конструкции таких деталей в современных условиях оказываются технически неудовлетворительными в эксплуатации, экономически невыгодными при бесперебойном (вплоть до капремонта) принципе работы оборудования и имеющими невысокий экологический приоритет (за счет постоянной переработки образующегося металлолома или его утилизации). Постановка задачи Особый интерес для исследования представляют детали стеклоформ, изготавливаемые из чугунов с различной морфологией графита и применяемые для массового производства стеклянной тары. Общеизвестно, что самым распространенным материалом для деталей данного типа является серый чугун с пластинчатой формой графита (СЧПГ). Также внедрен ряд технологий, позволяющих получить «двухслойную» структуру литья [1]. А ввиду специальной технологии изготовления литых заготовок (принцип литья расплава чугуна в песчано-глинистую форму с предварительно помещенным в нее металлическим холодильником) и получения дифференцированных структур (типа «белый чугун (БЧ) - графитизированный чугун (ГЧ)», «чугун с шаровидной формой графита (ЧШГ) - чугун с вермикулярной формой графита (ЧВГ)») данный способ получил широкое распространение как у нас, так и за рубежом (рис. 1). Рис. 1. Технология изготовления литых заготовок стеклоформ Применение дифференцированной (слоистой) структуры деталей по аналогии с биметаллическими конструкциями (например, «сталь - чугун») при производстве труб центробежным способом позволяет разграничить функциональные возможности ответственных узлов стеклоформующего оборудования (работающего в термоциклическом режиме с тактом 0,3…2,0 с) и частей деталей, отвечающих за отвод излишков тепловой энергии в окружающую среду цеха. Ввиду этого важным аспектом технологии изготовления деталей стеклоформ является получение литой заготовки с микроструктурой, которая дает возможность достижения фазового и концентрационного равновесия еще в процессе изготовления, позволяющего эксплуатировать уже готовое изделие в условиях агрессивных сред и высоких температур без протекания трансформационных процессов в структуре чугуна [2]. Исследование литых заготовок деталей В настоящей работе исследовалось изменение структуры стеклоформы в различных слоях отливки и закономерности формирования отдельных фаз при различных технологиях изготовления заготовок стеклоформ (рис. 2). Рис. 2. Литые заготовки стеклоформ с прибылями Разнородность фазовых составов и распределения структурных составляющих в отдельных слоях отливки (рис. 3) связана, во-первых, с присутствием в технологическом процессе производства стеклоформ внешних металлических холодильников, формирующих рабочий отбеленный слой на внутренней поверхности заготовки, во-вторых, с применением сфероидирующих графитовую фазу модификаторов, и в-третьих, с заключительной термической обработкой заготовок, приводящей матрицу и элементы графитовой фазы чугуна к структуре, пригодной для работы в условиях термоциклического нагружения. Присутствие первого звена в цикле изготовления стеклоформ оказывает качественное воздействие на первичную (литую) структуру изделия и определяет весь дальнейший комплекс его эксплуатационных свойств. При этом основными мотивами использования металлических холодильников в производстве стеклоформ являются: - облегчение процесса формовки и изготовления заготовок; - упрочнение рабочего слоя изделия; - измельчение графитовой фазы чугуна; - превращение части структурного графита в прочные сложнокомпонентные карбиды. Использование второго звена в технологической цепи производства стеклоформ обеспечивает получение графитовой фазы чугуна необходимых размеров, форм и распределения. Третье звено производственного цикла определяет конечную структуру готовой к эксплуатации стеклоформы. Первоопределяющими причинами применения данного этапа в технологической цепочке производства стеклоформ являются: - снятие внутренних напряжений, образовавшихся в процессе затвердевания чугуна; - гомогенизация металлической основы; - измельчение включений карбидов и снижение их общего количества; - повышение пластичности металлической основы чугуна. а г б д в е Рис. 3. Микроструктура чугуна в различных слоях одной литой заготовки, ×100: а, б, в - дифференцированная по структурно-свободному цементиту; г, д, е - дифференцированная по форме графита Варианты применения дифференцированной структуры чугунных деталей Аналогично деталям стеклоформ подавляющее большинство современных агрегатов работает в нестационарных термомеханических условиях [3]. а б в г Рис. 4. Детали с дифференцированной структурой литья типа ЧШГ→ЧВГ→СЧПГ1: а - толстостенные картеры; б - «кулаки» механообрабатывающих станков; в - шатуны (тяговые дышла) поршневых двигателей; г - гидроузлы паровых агрегатов В качестве примеров деталей, работающих при высоких скоростях износа рабочих поверхностей и повышенных температурах, выступают рабочие механизмы двигателей внутреннего сгорания (рис. 4, а), станочного оборудования (рис. 4, б), агрегатов металлургических цехов и т. д. Конструкции данных агрегатов в большинстве случаев моносплавны. Например, шатун поршневых двигателей (рис. 4, в) изготавливают из легированных сталей, титановых сплавов, реже - из алюминиевых сплавов со вставками из материалов с большей термостойкостью, чем алюминий. Для меньшего износа шатунных шеек коленчатого вала между ними и шатунами помещают специальные вкладыши, которые имеют антифрикционные свойства и препятствуют быстрому выходу шатуна из строя. В первую очередь это связано с характером эксплуатации шатуна: определенная моноструктура детали, отличающаяся низкой плотностью и массой (тенденция к снижению которой, с одной стороны, приводит к уменьшению инерционных нагрузок на сопрягаемые детали, с другой - балансирует на грани предела прочности материала) и выступающая в роли передатчика излишков тепловой энергии от поршня к картеру двигателя, а далее в окружающую среду, должна - с одной стороны - обладать высокой вязкостью разрушения, а с другой - высокой теплопроводностью и прочностью. Таким же требованиям должны удовлетворять детали, например, гидроузлов паровых агрегатов, в которых присутствуют рабочая часть (эксплуатирующаяся по принципу «открытия - закрытия» задвижек) и зона высокой отдачи излишков тепла в окружающую среду цеха (рис. 4, г). До настоящего времени основным материалом деталей данного типа является сталь, и замена данного материала на экономно легированный чугун с дифференцированной структурой обеспечит ряд преимуществ как готовому изделию, так и технологии его изготовления. Основными положительными эффектами применения чугуна с дифференцированной структурой литья типа ЧШГ→ЧВГ→СЧПГ по сравнению со стальными отливками будут являться [4]: - меньшая суммарная масса агрегата - плотность такого материала на 8…12 % меньше, чем у стали, то есть произойдет облегчение конструкции узла; - высокая жидкотекучесть сплава (в 1,1…1,5 раза выше, чем у стали), то есть литая заготовка будет менее подвержена браку по газовым раковинам и порам; - более низкая температура заливки сплава, чем у стали, что позволит применять более дешевые формовочные материалы. Заключение Дифференцированная структура чугуна с различным соотношением слоев (отличающихся по металлической матрице, цементиту, графиту) в одной литой заготовке детали обеспечивает ее широким комплексом свойств (ростоустойчивость, жаро-, термо-, износостойкость) без усложнения технологической цепочки изготовления детали, уменьшая себестоимость производства, повышая конкурентоспособность отечественной металлопродукции.

About the authors

Igor O Leushin

Nizhny Novgorod state technical University n.a. R. Y. Alexeev

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 24, Minin st., Nizhny Novgorod, 603650, Russian Federation

Dmitry G Chistyakov

Nizhny Novgorod state technical University n.a. R. Y. Alexeev

Postgraduate Student. 24, Minin st., Nizhny Novgorod, 603650, Russian Federation

Vyacheslav A Volodin

OJSC "Normal"

(Dr. Sci. (Techn.)), General Manager. 74, Litvinov st., Nizhny Novgorod, 603002, Russian Federation

References

Supplementary files