Разработка химических составов и технологии получения низколегированных термостойких чугунов для деталей стеклоформ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Александров, Максим Валерьевич

• Александров, Максим Валерьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Александров, Максим Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.....................................................................................5

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ СТЕКЛОФОРМ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СТОЙКОСТИ...............................................11

1.1 Особенности стекла как синтетического материала....................................................11

1.2 Условия эксплуатации и основные причины низкой стойкости деталей стеклоформ..................................................................................................................................14

1.3 Оценка свойств материалов для изготовления деталей стеклоформ и пути повышения их эксплуатационной стойкости.......................................................................19

1.4 Микролегирование как метод управления свойствами и структурообразованием чугунов............................................................................................28

1.5 Влияние скорости затвердевания и модифицирования расплава на

морфологию графита в чугуне................................................................................................33

Выводы........................................................................................................................................37

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................40

2.1 Выбор и подготовка образцов для исследования..........................................................40

2.2 Методика проведения экспериментальных плавок чугуна.........................................41

2.3 Разработка технологической пробы на отбел................................................................41

2.4 Определение химического состава...................................................................................42

2.5 Изучение механических свойств......................................................................................42

2.6 Термоциклирование...........................................................................................................43

2.7 Методика исследования окалиностойкости чугунов....................................................44

2.8 Определение теплопроводности.......................................................................................45

2.9 Исследование комплексного влияния скорости затвердевания расплава чугуна и навески сфероидизирующего модификатора на морфологию графита в отливках....................................................................................................................45

2.10 Исследование процесса затвердевания отливок и методика его компьютерного моделирования.............................................................................................46

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРА ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ОТЛИВКОЙ И ФОРМОЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ..................................................................................................................49

3.1 Особенности теплообмена между отливкой и формой...............................................49

3.2 Расчет скорости затвердевания отливки при различных режимах охлаждения. Математическая модель процесса затвердевания отливки........................56

3.3 Исследование влияния скорости затвердевания и коэффициента теплопередачи на формирование микроструктуры и свойств деталей стеклоформ..................................................................................................................................64

3.4 Повышение эффективности модифицирования чугуна для отливок стеклоформ посредством интенсификации процесса графитообразования..................70

3.5 Разработка модели для расчета величины отбела как фактора, зависящего

от скорости затвердевания.......................................................................................................73

Выводы........................................................................................................................................77

Глава 4. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАДАННОГО СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ СТЕКЛОФОРМ ИЗ СЧПГ ЗА СЧЕТ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОТЛИВОК....................................................................79

4.1 Исследование структурных изменений в чугунах для деталей стеклоформ

в ходе их эксплуатации.............................................................................................................79

4.2 Требования к структуре низколегированных СЧПГ для деталей стеклоформ..................................................................................................................................83

4.3 Разработка легирующего комплекса и оптимизация химического состава низколегированного термостойкого чугуна для деталей стеклоформ............................84

4.4 Подбор режима термической обработки литых заготовок для деталей стеклоформ.................................................................................................................................94

4.5 Разработка технологии получения низколегированного термостойкого

чугуна для деталей стеклоформ..............................................................................................96

Выводы....................................................................................................................................ЮЗ

Глава 5. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ТЕРМОСТОЙКОГО ЧВГ С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ И КОМПЛЕКСОМ СВОЙСТВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ СТЕКЛОФОРМ.........................................105

5.1 Анализ технологических процессов получения ЧВГ................................................105

5.2 Экспериментальные исследования по получению заданного структурного состояния и свойств деталей стеклоформ из ЧВГ...........................................................110

5.3 Совершенствование технологии получения ЧВГ в производственных

условиях...................................................................................................................................123

Выводы......................................................................................................................................131

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...............................................................................................................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЯ 148

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка химических составов и технологии получения низколегированных термостойких чугунов для деталей стеклоформ»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С развитием современной техники предъявляются все более высокие требования к рабочим деталям машин, эксплуатируемым в условиях термоциклического нагружения и воздействия агрессивных сред. Это обусловлено значительным ростом контактных термических и механических нагрузок. В связи с этим в последние годы значительно усилился интерес к разработкам, связанным с повышением термоусталостной прочности деталей, работающих в агрессивных средах и сложных термомеханических условиях.

В подобных условиях эксплуатируются детали формовых комплектов для производства стеклянных изделий.

Широкое распространение стекла обусловлено его уникальными физико-химическими и технологическими свойствами. Однако при изготовлении сложных фасонных изделий партиями в несколько миллионов штук (например, стеклянных бутылок) стекольные заводы сталкиваются с трудностями, связанными с дефицитом соответствующей оснастки. Проблема повышения эксплуатационной надежности стеклоформ приобретает большое значение и имеет комплексный характер. При этом необходимо улучшить показатели качества стеклянной тары, уменьшить массу изделия, повысить производительность стеклоформующих машин.

В процессе эксплуатации в стеклоформе возникают значительные термические напряжения вследствие чередующихся резких нагревов и охлаждений. Температура внутренней поверхности стеклоформы достигает 550...750°С, в то время как наружная поверхность вследствие принудительного охлаждения нагревается лишь до 230...280°С. В результате такой разницы температур возникают внутренние напряжения, приводящие к короблению деталей.

Кроме знакопеременных термических напряжений в материале формы могут протекать сложные структурные изменения, химические процессы. Основными притонами выхода из строя стеклоформ при воздействии циклических температурных перепадов является рост и интенсивное окисление деталей, адгезионный и усталостный износ рабочих поверхностей, выгорание углерода.

Поэтому материал для деталей стеклоформ должен иметь высокие механические и технологические свойства на стадии изготовления из него металлоизделия, а также обладать

повышенной теплопроводностью, ростоустойчивостыо и окалиностойкостыо, иметь минимальную диффузию отдельных элементов при циклическом воздействии температур, противостоять термической усталости и коррозии в условиях высоких температур на стадии эксплуатации формы.

Все эти свойства зависят, в первую очередь, от технологии изготовления отливок стеклоформ, определяющей микроструктуру литого металла: исходных шихтовых материалов, технологии плавки и заливки, термовременной обработки (ТВО), применения модификаторов, условий кристаллизации, теплофизических параметров применяемых холодильников и противопригарных красок и т.д.

Стеклоформы изготавливают из чугуна ввиду его высоких эксплуатационных и механических свойств - уникальной циклической вязкости, высокой износостойкости, прочности чугунов высоких марок, хорошей обрабатываемости, высокой теплопроводности. Такие технологические свойства чугуна, как высокая жидкотекучесть и малая усадка серого чугуна, обеспечивают благоприятные условия для эффективного применения его в производстве отливок деталей машин, независимо от их сложности, размеров и веса. В то же время основной объем выплавляемого в России чугуна характеризуется низкими показателями качества, которые остаются ниже уровня мировых стандартов. Причиной этого является комплекс факторов: несовершенство применяемых технологических процессов (режимов выплавки, рафинирования и модифицирования чугунов, термической обработки отливок), низкие характеристики исходных шихтовых материалов и др.

В связи с этим разработка технологии получения чугунов для деталей, работающих в сложных термомеханических условиях, а также выработка рекомендаций по оптимальному соотношению легирующих и модифицирующих добавок является актуальной научно-технической проблемой.

Цель и задачи работы. Целыо работы является разработка новых составов низколегированных термостойких чугунов для деталей стеклоформ и улучшение их литой структуры путём применения микролегирования и модифицирования чугунов с учетом комбинированного влияния различных технологических параметров.

В соответствии с поставленной целыо определены конкретные задачи исследования: 1. Анализ особенностей эксплуатации деталей стеклоформ и выявление факторов,

влияющих на их стойкость; оценка эксплуатационных свойств материалов для деталей стеклоформ.

2. Проведение систематизации и обобщения современных теоретических и экспериме1ггально-промышленных данных в области модифицирования и легирования чугуна.

3. Исследование влияния углеродного эквивалента на ростоустойчивость, термо- и окалиностойкость чугунов, дополнительно легированных Мо, Т1, Сг, и V.

4. Разработка технологических методов, обеспечивающих получение заданного сочетания структурных составляющих чугуна.

5. Исследование влияния комплексного легирования и модифицирования на особенности формирования структуры отливок из низколегированных чугунов при различных условиях затвердевания.

6. Проведение компьютерного моделирования процесса кристаллизации чугуна.

7. Выбор параметров и исследование влияния термовременной обработки на микроструктуру, механические и эксплуатационные свойства отливок из серого чугуна с пластинчатым (СЧПГ) и вермикулярным (ЧВГ) графитом.

8. Разработка на основе результатов исследования технической документации на термостойкие сплавы и внедрение их в производство.

Научная новизна работы:

1. Разработаны рекомендации на химические составы чугунов, обладающих высокой стойкостью к термической усталости при комплексном термомеханическом воздействии.

2. Разработаны номограммы (графические модели), позволяющие прогнозировать свойства чугуна (теплопроводность, предел прочности и др.) и параметры его структуры (количество графита, феррита и карбидов, величиггу отбела и др.) и управлять ими, изменяя технологические параметры.

3. Установлено положительное совместное влияние молибдена, ванадия, хрома и титана на эксплуатационные свойства чугуна. Наибольшие значения окалиностойкости и ростоустойчивости зафиксированы у чугуна, содержащего 0,5%Мо, 0,12%У, 0,1%Тл. С увеличением содержания молибдена термостойкость чугунов увеличивается лишь при содержании в чугуне 1,8...2,1%81 и достигает максимума при 0,4...0,6%Мо. Чугун,

дополнительно легированный хромом и титаном, обладает повышенной термостойкостью. Показано, что зависимость структурообразования чугуна от содержания в нем хрома и титана имеет выраженный минимум, обусловленный пониженной склонностью чугуна к формированию переохлажденного графита, и максимум, характеризующийся появлением охрупчивания при высоком содержании карбидов.

4. Установлен комплекс математических зависимостей, позволяющих определить распределение температурных полей в отливке, скорость ее затвердевания и соответствующие параметры микроструктуры и свойств. Предложена и решена математическая модель охлаждения отливки, внесены дополнения для расчета фракции затвердевшего металла.

5. Разработан технологический процесс, позволяющий получить в производственных условиях отливки из чугуна с регулируемым количеством в структуре шаровидного и вермикулярного графита. Разработанная технология обеспечивает стабильное получение ферритной матрицы чугуна при твердости отливок не выше 170-200 НВ, с прелом прочности сгв=360.. .430 МПа и факторе формы графита на уровне 0,48.

6. Выявлены причины появления дефекта "апельсиновая корка", возникающего на рабочей поверхности стеклоформ в процессе их эксплуатации. Даны рекомендации по предупреждению подобного дефекта при получении отливок.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- предлагаемые химические составы термостойких чугунов индукционной плавки;

- экспериментальные данные о влиянии рафинирующих и модифицирующих добавок и условий кристаллизации расплава чугуна на структуру, механические и эксплуатационные свойства отливок;

- результаты исследования влияния легирующих элементов и углеродного эквивалента на ростоустойчивость, термо- и окалиностойкость чугунов;

- технологический процесс получения отливок из ферритного чугуна с регулируемым количеством в структуре шаровидного и вермикулярного графита;

- результаты исследований процессов структурообразования чугунов, подвергнутых ТВО жидкого расплава;

- результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования процесса кристаллизации расплава чугуна.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработаны и внедрены в технические условия ЗАО "Завод "Флакс-Орел" ТУ 4111003-33928912-2008 химические составы чугунов, обеспечивающие получение заданных параметров структуры и свойств деталей стеклоформ.

2. Разработан и внедрен в технологической инструкции ЗАО "Завод "Флакс-Орел" ТИ 75665846.2501053.00009 процесс выплавки чугуна высокого качества с применением стружечных отходов и его ТВО.

3. Результаты работы в виде графических и математических моделей и технологических рекомендаций используются в производственном процессе на заводе "Флакс-Орел" при проектировании технологии получения отливок и в учебном процессе на кафедре "Автопласт" Госуниверситета-УНПК при подготовке курсовых и дипломных работ.

4. Внедрение научных разработок настоящих исследований на ЗАО "Завод "Флакс-Орел", подтвержденное актом внедрения, обеспечило экономический эффект 4,79 млн. руб.

Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается:

- установлением зависимостей искомых параметров структуры и свойств чугунов не от одного, а от двух влияющих факторов - разработка графических моделей (номограмм);

- применением комплекса современных методов исследования и анализа чугунов, в том числе электронной микроскопии;

- использованием аттестованной измерительной и испытательной аппаратуры;

- обработкой экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики, регрессионного анализа;

- корректным применением основных положений теории теплообмена и кристаллизации расплавов;

- согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов.

Апробацпя работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: IX Международной научно-практической конференции "Литейное

производство сегодня и завтра", г. Санкт-Петербург, 2012 г.; XI Съезде литейщиков России, г. Екатеринбург, 2013 г.; научных семинарах кафедры «Автопласт» Госуниверситета-УНПК, 2011-2013 гг.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 7 публикациях в виде статей и тезисов докладов конференций, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ СТЕКЛОФОРМ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СТОЙКОСТИ

1.1 Особенности стекла как синтетического материала

Стекло является одним из важнейших искусственных материалов, прочно вошедших в быт, культуру и технику людей. Стеклом называются аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел.

Стекловидные материалы являются изотропными, а процесс кристаллизации стекол всегда является экзотермическим [1].

Одним из важнейших технологических свойств, отличающих стекло от других материалов, является способность поддаваться самым разнообразным способам формования без нарушения целостности изготавливаемого изделия. При этом самым распространенным способом изготовления полых стеклянных изделий, за счет своей производительности и широкого спектра возможных вариантов изделий, является выдувание. Этот способ формования является специфичным для стекла, так как его применение возможно благодаря определенному сочетанию вязкости и поверхностного натяжения расплавленного стекла. Выдуванием изготавливают практически все полые стеклянные изделия, составляющие около одной трети всей вырабатываемой стеклянной продукции [2]. При этом наиболее распространенным способом получения узкогорлой стеклянной тары является прессовыдувной процесс (Narrow Neck Press & Blow) [3].

Процесс формования стекла, находящегося в пластичном состоянии, разделяется на две стадии: образование формы и ее закрепление. Первая стадия - придание материалу конфигурации, свойственной изделию данного назначения. Вторая стадия имеет целью зафиксировать приданную форму [4].

В стекольном производстве обе стадии процесса формования базируются на использовании вязкости стекломассы и ее зависимости от температуры. Так, доводя температуру сваренного стекла до того или иного значения, можно обеспечить степень пластичности стекломассы, наиболее удобную для выбранного способа формования.

Роль поверхностного натяжения в процессе выдувания стеклянных изделий является также весьма значительной. Здесь поверхностное натяжение выступает как важнейший фактор формообразования, который позволяет получить так называемую "пульку" из вязкой стекломассы (рисунок 1.1). Пулька является первичной заготовкой для последующего выдувания стеклянной тары. В современных автоматических питателях стеклоформующих машин поверхностное натяжение выступает как главный фактор, без которого невозможно придать подаваемой в машину порции стекла необходимую форму.

Рис. 1.1. Заготовки ("пульки") перед выдуванием стеклянной бутылки (слева) и готовые изделия (справа) на одной из секций стеклоформующей машины

Однако зависимость вязкости и поверхностного натяжения стекломассы от ее температуры имеет и отрицательные стороны, одной из которых является сложность поддержания необходимого температурного режима стеклоформ из-за резкого изменения пластичности стекломассы при ничтожно малом изменении температуры.

Поэтому при формовании стеклоизделий необходимо постоянство устанавливаемого температурно-временного режима. В каждом отдельном случае должен быть разработан оптимальный температурный режим не только самой заготовки, но и формового комплекта. При этом температурная область, в которой происходит весь процесс формования, должна быть близка к пределу, при котором кривая вязкости дает крутой изгиб (800...1000°С) [1], что необходимо для того, чтобы получаемая форма стекломассы закрепилась как можно скорее.

При формовании стекломассы тесно переплетаются явления теплопроводности деталей формового комплекта и течения стекломассы, вязкость которой изменяется в

широких пределах. В производственных условиях превращение расплавленной стекломассы в готовое изделие характеризуется непрерывным увеличением вязкости.

Зависимость вязкости стекломассы от ее температуры (Т) может быть выражена уравнением, предложенным Фулхером и Тамманом [5]:

1о&0 77 = А +

В

Т-П

10 0.1)

где }] - вязкость стекломассы, Па- с

А, В и То -эмпирические коэффициенты, равные -1.55,4350 и 226 соответственно.

График зависимости вязкости стекломассы от температуры представлен на рисунке

1.2.

15

с.

Э 10

" *

Отжиг

Формирование заготовки

Питание

шавлениа

500 1000 1500

Температура 'С

Рис. 1.2. График зависимости вязкости стекломассы от ее температуры

Рабочий интервал вязкости устанавливает пределы изменения вязкости стекломассы при формовании до момента, когда внешний слой изделия затвердевает настолько, что препятствует деформации изделия. Время прохождения рабочего интервала вязкости характеризует продолжительность формования. Таким образом, с повышением теплопроводности материала формы повышается не только ее эксплуатационная стойкость, но и интенсивность отвода тепла от стекломассы, что сокращает цикл формования изделия, повышая производительность стеклоформующих автоматов.

Сказанное выше подтверждает тот факт, что разработка режима формования - задача сложная, во многом зависящая от теплофизических свойств материала формового

комплекта. Тепловой режим формовых комплектов оказывает также значительное влияние на качество стеклоизделий. При отклонении температуры форм в сторону перегрева на изделиях возникают так называемые пороют «горячего хода» (прилипание стекла к формам, разрывы, деформация изделий). При пониженной температуре форм на изделиях возникают пороки «холодного хода» (посечки, складки, кованость и др.) [2]. Рабочий интервал нагрева форм лежит между этими двумя отклонениями и зависит от различных факторов: материала форм, конфигурации изделия, массы изделия и толщины его стенок, химического состава стекла (таблица 1.1), скорости работы стеклоформующей машины.

Таблица 1.1. Некоторые составы промышленных стекол

Страна (завод) Вид стекла Машина Состав стекла, %

8102 АЬОз РегОз СаО М§0 N320 К20 Б02

Россия (им. 9 января) обесцвеченное ВВ-7 73,1 2.45 0,05 5,9 3,8 14,2 - 0,5

США* зеленое 18-6-2 72,2 1,5 0,1 9,5 1,5 14,0 0,6 0,2

Чехия** зеленое А1-106 61,9 11,6 1,5 7,1 4,1 10,4 2,3 0,3

* Дополшггельно содержит 0,2% ВаО и 0,2% Сг20з ** Дополнительно содержит 0,8% МпО

1.2 Условия эксплуатации и основные причины низкой стойкости деталей стеклоформ

Формооснастка - это совокупность деталей, характеризующих формовой комплект для получения стеклоизделий, обеспечивающая создание стеклоупаковки от капли расплавленного стекла до конкретной бутылки, банки, флакона и т.п.

Массовое производство узкогорлой тары и других видов стеклянных изделий осуществляется на высокопроизводительных автоматических машинах.

Капля вязкой стекломассы с температурой 900...1200°С, отрезанная ножницами питателя, через направляющую воронку поступает в закрытую черновую форму 4, установленную горлом вниз (рисунок 1.3а). Для заполнения пространства между внутренней поверхностью горлового кольца 2 и плунжером 6 на стекломассу в форме давят сверху сжатым воздухом с помощью прессующей головки 7, которая опускается на черновую форму после подачи капли стекломассы, - происходит формование горла (венчика) изделия. В период выхода плунжера из отверстия для начального дутья внутренняя часть горла разогревается теплом стекломассы. Подаваемый в отверстие сжатый

воздух выдувает пульку. После этого черновая форма раскрывается и пулька с температурой 600...800°С в горловых кольцах поворачивается на 180° и устанавливается в чистовую форму 1 с поддоном 3, где происходит окончательное выдувание изделия.

а б

Рис. 1.3. Компьютерная модель (а) чистовой и черновой формы и снимок (б) чистовой формы для производства стеклотары (1 - полу форма чистовая, 2 - кольцо горловое, 3 - поддон, 4 - полуформа черновая, 5 - кольцо центрирующее, 6 - плунжер, 7 - головка

прессующая)

Этим способом вырабатывают изделия различной вместимости с учетом потребностей пищевой, медицинской, парфюмерной и химической промышленности.

В условиях перехода стеклозаводов на новые высокопроизводительные секционные стеклоавтоматы резко ужесточились требования к минимальному количеству съемов стеклоизделий в пересчете на один формокомплект, которые составляют не менее 1 млн. штук.

При этом на данный момент стойкость деталей стеклоформ, зависящая от режима работы стекловыдувных автоматов и скорости попадания расплавленного стекла во внутреннюю полость формокомплекта, не превышает 0,55 млн. стеклоизделий с одной формы, что не удовлетворяет современным требованиям производства.

Механизм термоусталостного разрушения деталей является достаточно сложным и его изучению посвящены работы [6-10], в которых изложены следующие основные закономерности этого процесса:

1. Термоциклическое воздействие приводит к многократному чередованию деформации сжатия и растяжения. Следствием этого является накопление остаточной пластической деформации и исчерпание запаса пластичности;

2. Вследствие возникновения нестационарных температурных полей формируются локальные области деформирования, в которых концентрируется пластическая деформация, так как в этих наиболее нагретых областях существенно снижается предел текучести;

3. Циклические изменения температуры влияют на изменение структуры и фазового состава материала деталей, что снижает его способность сопротивляться разрушению при термоциклическом воздействии.

Стеклоформы (рисунок 1.3) работают круглосуточно в цикличном режиме открытия-закрытия с тактом 0,3-2,0 сек. в зависимости от типа стеклоформующей машины [11].

В процессе эксплуатации в стеклоформе возникают значительные термические напряжения вследствие чередующихся резких нагревов (при соприкосновении стекломассы с металлоформой) и охлаждений. Согласно [12] средняя температура поверхности стекломассы при выдувании в чистовой форме узкогорлой тары составляет 891°С, тары с широким горлом - 926°С. При этом время процесса выдувания составляет 0,6...0,8 с.

По данным стекольных заводов (ОАО "Березичский стекольный завод", Калужская обл.; ООО "Каменский стеклотарный завод", Ростовская обл.; ООО "ЧСЗ-Липецк", Липецкая обл.) температура внутренней поверхности стеклоформы достигает 550.. .750°С, в то время как её наружная поверхность нагревается лишь до 230.. ,280°С. В результате такого перепада температур возникают внутренние напряжения, приводящие к короблению деталей стеклоформ и, в конечном счете, снятшо их с производственной линии (их ремонтонепригодности). Напряжения сжатия нагретой части стеклоформы вызывают напряжения растяжения холодной ее части, что приводит к появлению трещин. Исследования показали, что особенно вероятно их возникновение в местах, где в структуре содержится большое количество хрупкой фосфидной эвтектики, свободных карбидов, неметаллических и шлаковых включений, а также пор.

Суммарные радиальные напряжения, возникающие в стеклоформе от воздействия давления и температуры, определяются по формуле [13]:

Р ■г2 -- - в '

- т

1-

/,„ \

V '

Е-а-М

2-(1-/у)1п

/ л

1п (г > 2 • 1п С \ и

V Г )

(1.2)

где п и Г2 - соответственно, внутренний и наружный радиусы детали (рисунок 1.4), г/=0,03 м, /-2=0,08 м.

г - координата точки внутри рассматриваемой области, м; Рв - давление, оказываемое на внутреннюю поверхность детали, Рв=\30 кПа; Е - модуль Юнга материала стеклоформы, Па; ц - коэффициент Пуассона;

а - коэффициент линейного термического расширения, 1/°С;

АТ=Т1-Т2 - разность температур на внутренней (Т1=650°С) и наружной (Т2=230°С) поверхностях детали, °С.

Рис. 1.4. Характеристики расчетной схемы

Анализ формулы показывает, что при нагревании суммарные радиальные напряжения достигают максимального значения (123 МПа) при /-=0,045 м, имея при этом отрицательный знак, соответствующий сжатию.

Наиболее нагруженным в ходе эксплуатации стеклоформ является поверхностный рабочий слой толщиной до 10 мм, который, во-первых, испытывает значительный тепловой удар при выдуве стеклоизделия; во-вторых, подвержен механическому, термическому и химическому воздействию стекломассы, что вызывает сложное напряженно-деформированное состояние стеклоформы. В этом слое наблюдается максимальный температурный перепад по толщине стенки детали, а интенсивность теплового удара может достигать 250°С/(мм-с). При этом происходит накопление пластической деформации и исчерпание запаса пластичности [14].

Кроме знакопеременных термических напряжений в материале формы имеют место сложные структурные изменения, химические процессы. При нагревании чугуна происходит его окисление (при температуре выше 620°С), протекающее с необратимым увеличением объема. Суммарное расширение чугуна определяется величиной термического расширения, газонасыщением, степенью графитизации.

Из-за растяжения, возникающего в металле, основной материал ослабевает около границ графитовых включений (рисунок 1.5) и дает возможность проникнуть внутрь кислороду [15]. Подобное нарушение структуры чугуна особенно заметно при термоциклическом воздействии как проявление внутреннего переменного напряжения, особенно у материалов с малым сопротивлением росту.

Явление роста обусловлено рядом факторов, основным из которых является процесс графитизации цементита. Разложение цементита происходит по схеме:

Ге3С {цементит ) —» 1 Ре (феррит ) + Ссв (графит )

Это приводит к увеличению объема материала, так как удельный объем цементита меньше удельного объема продуктов его распада. Так, объем одной грамм-молекулы цементита равен 3,19 см3, а суммарный объем, образующийся после его распада - 26,61 см3 [16].

Рис. 1.5. Разгарные трещины по границам графитовых включений

В процессе циклического нагрева в поверхностных слоях чугунной стеклоформы происходит обезуглероживание матрицы. Интенсивность этого процесса зависит от теплового нагружения формы. Глубина обезуглероживания формы может достигать 10 мм. В местах частичного или полного выгорания графита создаются благоприятные условия для образования зон окисления разной плотности. Глубина распространения окислительных процессов зависит во многом от наличия и природы несплошностей в чугуне.

Специфичным для етеклоформ процессом является возникновение в ходе эксплуатации на рабочей поверхности так называемой "апельсиновой корки". Причины возникновения этого дефекта и методы борьбы с ним в литературе не освещались.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Александров, Максим Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технология стекла / под ред. И.И. Китайгородского. - М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961.-623 с.

2. Гулоян, Ю.А. Технология стеклотары и сортовой посуды / Ю.А. Гулоян. - М.: Легпромбытиздат, 1986. - 263 с.

3. Cormeau, A. Numerical simulation of glass blowing / A. Cormeau, I. Cormeau, J. Roose // Numerical Analysis of Forming Processes. - John Wiley, 1984.

4. Храмков, В.П. Формование изделий из стекла / В.П. Храмков, Ю.А. Гулоян, В.И. Лаптев. - М.: Легкая индустрия, 1980. - 176 с.

5. Shelby, J.E. Introduction to Glass Science and Technology / J.E. Shelby. - Cambridge, 2005.

6. Баландин, Ю.Ф. Термическая усталость металлов в судовом энергомашиностроении / Ю.Ф. Баландин. - Л.: Судостроение, 1967. - 271 с.

7. Дульнев, Р.А. Термическая усталость металлов / Р.А. Дульнев, П.И. Котов. - М.: Машиностроение, 1980. - 200 с.

8. Третьяченко, Г.Н. Термическая усталость материала в условиях неоднородного термонапряженного состояния / Г.Н. Третьяченко, Л.В. Кравчук. - Киев.: Наукова Думка, 1985.-277 с.

9. Gundlach, R.B. Elevated temperature properties of alloyed gray irons for diesel engine components / R.B. Gundlach // AFS Transactions. - 1978. - P.86.

10. Веронский, А. Термическая усталость металлов / А. Веронский; пер. с польск. Г.Н. Мехеда. -М.: Металлургия, 1986. - 127 с.

11. Шлегель, А.Н. Повышение стойкости рабочих кромок чугунных стеклоформ на основе лазерного непрерывного упрочнения: дис.... канд. техн. наук / А.Н. Шлегель. -М, 2011.- 185 с.

12. Cesar de Sa, J.M. Numerical modelling of glass forming processes / J.M. Cesar de Sa // Eng. Comput. - 1986. - V.3.

13. Кошелев, O.C. Упрощенная расчетная методика оценки трещиностойкости оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям / О.С. Кошелев, Л.И. Леушина, В.А. Ульянов // Литейщик России. - 2012. - №12. - С.47-49.

14. Петриченко, A.M. Термостойкость литейных форм / A.M. Петриченко, А.А. Померанец, В.В. Парфенова. - М.: Машиностроение, 1982. - 232 с.

15. Davis, J.R. Cast irons / J.R. Davis. - ASM International, 1996. - 494 p.

16. Болховитинов, И.Ф. Металловедение и термическая обработка / И.Ф. Болховитинов. -М.: Машгиз, 1958.-430 с.

17. Гладиггейн, И.Е. Формы для производства стеклянных изделий / И.Е. Гладштейн, И.А. Гинзбург. - М.: Легкая индустрия, 1966. - 305 с.

18. Кушнир, М.А. Точнолитые пресс-формы для получения изделий из стекла: дис. ... канд. техн. наук / М.А. Кушнир. - Одесса, 1984. - 232 с.

19. Храмченков, А.И. Исследование теплового режима и стойкости металлических форм: автореф. дис.... канд. техн. наук/ А.И. Храмченков. - Минск, 1963.

20. Гохфельд, Д.А. Несущая способность конструкций в условиях теплосмен / Д.А. Гохфельд. - М.: Машиностроение, 1970. - 257 с.

21. Гусенков, А.П. Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении / А.П. Гусенков, П.И. Котов. - М.: Машиностроение, 1983. - 240 с.

22. Термопрочность деталей машин / под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. - М.: Машиностроение, 1975.-455 с.

23. Incropera, F.P. Introduction to Heat Transfer / F.P. Incropera, D.P. Dewitt. - John Wiley, 1996.

24. Matousek, I. Numerical simulation and optimization of glass forming cycle /1. Matousek // Proc. of 2nd Colloquium on Modeling of Glass Forming and Tempering. Vallenciennes, 2002.

25. Сильвестрович, С.И. Материалы для производства стеклоформ / С.И. Сильвестрович, В.П. Храмков // Стекло и керамика. - 1972. - №7. - С.11-13.

26. Averchenko, Р.А. Increasing the live of glass moulds - a reserve for increasing production / P.A. Averchenko // Glass and Ceramics. -1974. - №7. -P.474-475.

27. Пат. 2450074 Российская Федерация, C22 C37/10. Низколегированный чугун / Ю.А. Щепочкина; заявитель и патентообладатель Щепочкина Ю.А. - .№2011125062/02. - 4 с.

28. Бабушкин, Л.С. Изготовление изложниц из чугуна с вермикулярной формой графита / Л.С. Бабушкин, Л.И. Чистякова // Литейное производство. - 1987. - №5. - С.30.

29. Захарченко, Э.С. Термостойкость толстостенных отливок из высокопрочного чугуна / Э.С. Захарченко, В.Н. Семененко, A.A. Жуков // Литейное производство. - 1992. - №1. -С.16-17.

30. Пивоварский, Е. Высококачественный чугун: в 2 т. Т.2. / Е. Пивоварский. - М.: Металлургия, 1965. - 1184 с.

31. Пат. 2288195 Российская Федерация, С03 В9/48. Форма для производства стеклянных изделий и способ ее изготовления / Д.Л. Льюис; заявитель и патентообладатель Оуэнс-Броквэй Гласс Контейнер Инк. (US). - №2002115710/02.

32. Коган, Б.Л. Применение синтетического чугуна для кокильной оснастки / Б.Л. Коган, В.М. Попов // Литейное производство. - 1989. - №5. - С.23-24.

33. Волчок, И.П. Сопротивление разрушению стали и чугуна / И.П. Волчок. - М.: Металлургия, 1993.- 192 с.

34. Зальцман, Э.С. Исследование структуры и свойств чугунных отливок в зависимости от условий их охлаждения / Э.С. Зальцман, Г.А. Кузнецов, Л.Г. Саксонов // Литейное производство. - 1975. - №9. - С.23-24.

35. Попов, В.М. Термостойкость чугунов с различной формой графита / В.М. Попов, Б.Л. Коган// Литейное производство. - 1991. -№2. - С.15-17.

36. Чугун / под ред. А.Д. Шермана, A.A. Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.

37. Разработка чугуна с высокой теплопроводностью для роторов тормозных дисков // SAE Techn. Pap. Ser. - 1990. - №900002. - С.22-28.

38. Бунин, К.П. Строение чугуна / К.П. Бунин, Ю.Н. Таран. - М.: Металлургия, 1972. -170 с.

39. Гиршович, Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках / Н.Г. Гиршович. - Л.: Машиностроение, 1966.-561 с.

40. Хрущев, М.М. Исследование изнашивания металлов / М.М. Хрущев, М.А. Бабичев. -М.: Машиностроение, 1968. - 534 с.

41. Stefanescu, D.M. Science and engineering of casting solidification / D.M. Stefanescu. - New York: Springer, 2009.

42. Бухвалова, H.A. Факторы, определяющие термическую стабильность серых и высокопрочных чугунов / H.A. Бухвалова, Г.Г. Михайлова, B.C. Радя // Сталь. - 1979. - №7. - С.503-505.

43. Брылова, Т.Б. Разработка химического состава рафинированного термостойкого природно-легированного чугуна индукционной плавки: дис. ... канд. техн. наук / Т.Б. Брылова. - Новокузнецк, 1999. - 151 с.

44. Бартель, Т.П. Исследование процесса повышения стойкости чугунных изложниц / Т.П. Бартель, Е.В. Фесенко, М.А. Фесенко, А.Н. Фесенко // Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве: Тез. докл. П1 Междунар. пауч.-техн. конференции. - Краматорск: ДГМА, 2011. - С.16.

45. Шпаков, Е.Б. Повышение стойкости чугунных изложниц / Е.Б. Шпаков // Литейное производство. - 1982. -№10. - С. 10.

46. Чистяков, В.В. Влияние сурьмы на ростоустойчивость и жаропрочность серого чугуна / В.В. Чистяков, А.А. Жуков // Литейное производство. - 1970. - №7. - С.30.

47. Скребцов, A.M. Совершенствование технологии литья чугунных подцонов-плит /

A.M. Скребцов, Л.А. Дан, Б.А. Павшок // Литейное производство. - 1992. - №7. -С.12-13.

48. Курганов, В.А. Повышение стойкости изложниц / В.А. Курганов, В.В. Лесовой, П.Д. Стец // Сталь. - 1986. - №6. - С. 17-19.

49. Турин, С.С. Получение высокостойких чугунных литейных форм / С.С. Турин // Литейное производство. - 1993. - №5. - С.18-19.

50. Михайлов, A.M. Термостойкость синтетического чугуна / A.M. Михайлов, В.М. Попов, Б.Л. Коган // Литейное производство. - 1985. - №2. - С.27-28.

51. Федюкии, В.К. Усталостная прочность и термостойкость высокопрочного чугуна /

B.К. Федюкин, И.В. Липский//Литейное производство. - 1975.-№5.-С.11.

52. Ващенко, К.И. О связи пригарной корки с отливкой / К.И. Ващенко // Литейное производство. - 1962. - №9. - С.24.

53. Иванова, Л.А. Методы улучшения качества литой поверхности / Л.А. Иванова, В.А. Иванов // Литейное производство, - 1984. - №6. - С.24-26.

54. Металлурпа чугуна / Сочинеше Banepiyca; пер. с фр. В. Ковригина - Санкт-Петербург, 1862.-740 с.

55. Никифоров, В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов / В.М. Никифоров. - СПб.: Политехника, 2000. - 384 с.

56. Богачев, И.Н. Металлургия чугуна / И.Н. Богачев. - М.: Машгиз, 1962. - 542 с.

57. Соловьев, В.П. Оценка влияния химических элементов на графитизацшо чугуна / В.ГТ. Соловьев, О.В. Курагин // Литейное производство. - 1991. - №7. - С.7-8.

58. Гольдштейн, Я.Е. Инокулирование железоуглеродистых расплавов / Я.Е. Гладштейн, В.Е. Мизин. - М.: Металлургия, 1993. - 416 с.

59. Кульбовский, И.К. Механизм влияния элементов на графитизацшо и отбел чугуна / И.К. Кульбовский//Литейное производство. - 1993. -№7. - С.3-5.

60. Кульбовский, И.К. Разработка теоретических основ и оптимальной технологии получения отливок из экономнолегированного и модифицированного синтетического чугуна с заданной структурой: автореф. дис. ... докт. техн. наук / И.К. Кульбовский. -Брянск, 1994,-40 с.

61. Безкоровайная, И.В. Влияние легирования медью и никелем на структуру и механические свойства отливок из ЧШГ / И.В. Безкоровайная, В.Б. Бубликов, Л.Н. Сыропоршнев// Литейное производство. - 2012. -№9. - С.17-18.

62. Жуков, A.A. Экспресс-метод определения обрабатываемости чугуна резанием / A.A. Жуков, И.О. Пахшогций // Современные методы и приборы для определения качественных параметров чугуна во время плавки: Тез. докл. Всесоюз. иауч.-техн. семинара. - Волгоград, 1985. - С. 17-20.

63. Сильман, Г.И. Влияние меди на структурообразование в чугуне / Г.И. Сильман, В.В. Камынин, A.A. Тарасов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - №7.-С. 15-20.

64. Асташкевич, Б.М. Износостойкость и механические свойства цилиндрового чугуна, легированного бором и медью / Б.М. Асташкевич, A.C. Булюк // Литейное производство. - 1975.-№1.-С.14-15.

65. Сапожников, С.А. Чугун для втулок цилиндров двигателей / С.А. Сапожников, Б.М. Асташкевич, B.C. Гудков // Литейное производство. - 1997. - №7. - С.12-13.

66. Половинчук, В.П. Влияние меди гга триботехнические свойства чугуна в условиях термоциклирования / В.П. Половинчук, A.A. Жуков // Тез. докл. 57 Всемирн. конгресса литейщиков. Осака, 1990.

67. Overview of alloying elements and their effects in gray iron // Technical Information. -Eikern AS, Foundry Products, 2011. - 8 p.

68. Болдырев, Д.А. Комбинированное влияние технологических параметров модифицирования и микролегирования на структуру и свойства конструкционных чугунов: дис.... докт. техн. наук / Д.А. Болдырев. - М., 2009. - 294 с.

69. Соловьев, В.П. Графитизирующее модифицирование чугуна / В.П. Соловьев, О.В. Курагин, С.Н. Васильев // Известия вузов. Черная металлургия. - 1993. - №3. - С.67-71.

70. Жуков, А.А. Температурная зависимость влияния меди и алюминия на склонность чугуна к графитизации / А.А. Жуков, С.В. Давыдов, И.И. Добровольский // Литейное производство. - 1999. - №5. - С.17-19.

71. Смирнова, Л.Н. Особенности разрушения ферритного чугуна с шаровидным графитом / Л.Н. Смирнова, Н.И. Щеглюк // Металловедение и термическая обработка металлов.

- 1989.-№4.-С. 17-20.

72. Литовка, В.И. Структура и свойства легированного высокопрочного чугуна в отливках / В.И. Литовка, Н.И. Бех, Н.И. Тарасевич, О.И. Шинский, Г.А. Косггиков // Литейное производство. - 1994. - №8. - С. 16-20.

73. Norbury, A.L. The Effect of carbon and silicon on the growth and scaling of cast iron / A.L. Norbury, E. Morgan // British Iron and Steel Inst., Advance Paper. 1931. - №11.

74. Кривошеее, A.E. Влияние молибдена, ниобия и титана на свойства отбеленных чугунных отливок / А.Е. Кривошеев, Л.С. Рудницкий, Л.Т. Калинина, Л.Ф. Боков // Диффузия в металлах и сплавах: Тез. докл. III Междунар. конф. - Тула, 1968.

75. Lerner, Y.S. Titanium effect on structure and properties of gray iron permanent mold castings / Y.S. Lemer//AFS Transactions. - 1996. -V. 104. - P. 1011-1016.

76. Суходольская, E.A. Исследование влияния титана на качество серого чугуна / Е.А.

1

Суходольская, А.П. Лозовский // Тез. докл. I Всесоюз. науч.-техн. съезда литейщиков.

- 1978. -С.13-14.

77. Kobayashi, Т. Development of high toughness in austempered type ductile iron and evalution of its properties / T. Kobayashi, H. Yamamoto // Metallurgical Transactions A. - 1988. -V. 19a.-P.319-327.

78. Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М.: Машиностроение, 1977. - 648 с.

79. Рао, Ч.Ж. Исследование высокопрочного хромистого чугуна / Ч.Ж. Рао, Д.С. Женг, Х.Ж. Вонг, Ш.В. Лианг, К.Д. Жанг // Литейное производство. - 1994. - №2. - С.6.

80. Сомин, В.З. Производство отливок из сложнолегированного чугуна с высокими параметрами специальных свойств / В.З. Сомин, А.Д. Андреев, В.И. Куликов // Литейное производство. - 2002. - №11. - С. 16-25.

81. Носкова, Е.В. Повышение износостойкости тормозных дисков легковых автомобилей / Е.В, Носкова, Л.А. Солнцев, Н.М. Журавлев // Автомобильная промышленность. -1983. - №6. - С.28-29.

82. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении: Учеб. пособие / В.М. Воздвиженский, В.А. Грачев, В.В. Спасский. - М.: Машиностроение, 1984. - 432 с.

83. Асташкевич, Б.М. Прочность и износостойкость чугуна для втулок цилиндров двигателей / Б.М. Асташкевич // Металловедение и термическая обработка металлов. -1987. -№7. -С.31-34.

84. Довгопол, В.И. Эффективность использования ванадийсодержащих чугунных отливок / В.И. Довгопол, A.A. Медведев, А.Е. Хайкин, Э.Л. Воробьева, И.П. Шаповалов // Литейное производство. - 1981. - №5. - С.6-7.

85. Козлов, Л Я. Роль примесей в процессе графитизации чугуна / Л Я. Козлов, А.П. Воробьев // Литейное производство. - 1996. - №8. - С.4-6.

86. Асташкевич, Б.М. Исследование свойств тормозных колодок из фосфористых чугунов / Б.М. Асташкевич, Т.В. Ларин // Литейное производство. - 1983. - №6.

87. Лядский, В.Б. Износоустойчивость фосфористых перлитных чугунов / В.Б. Лядский // Литейное производство. - 1953. - №8. - С. 16-17.

88. Асташкевич, Б.М. Повышение надежности железнодорожных тормозных колодок / Б.М. Асташкевич //Литейное производство. - 1995. - №6. - С.5-6.

89. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1980. - 496 с.

90. Высококачественные чугуны для отливок / под ред. H.H. Александрова. - М.: Машиностроение, 1982. - 166 с.

91. Ланда, А.Ф. Основы получения чугуна повышенного качества / А.Ф. Ланда. - М.: Машгиз, 1960.-272 с.

92. Макаренко, К.В. Компьютерный метод оценки взаимосвязи состава, структуры и свойств чугунов / К.В. Макаренко // Литейное производство. - 2011. - № 1. - С.2-6

93. Барановский, Э.Ф. Затвердевание отливок из износостойких чугунов при литье в кокиль, песчаную и комбинированные формы / Э.Ф. Барановский, В.А. Пумпур, В.М. Ильюшенко, К.Э. Барановский // Литейное производство. - №2. - 2011. - С. 19-23

94. Анисович, Г.А. Охлаждение отливки в комбинированной форме / Г.А. Анисович, Н.П. Жмакин. - М.: Машиностроение, 1969. - 186 с.

95. Баландин, Г.Ф. Состояние и перспективы математической теории формирования отливки /Г.Ф. Баландин //Литейное производство. - 1980. - №1. - С. 19.

96. Баландин, Г.Ф. Основы теории формирования отливки: в 2 ч. 4.1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки / Г.Ф. Баландин. - М.: Машиностроение, 1976.-348 с.

97. Вейник, А.И. Основы тепловой теории / А.И. Вейник. - М.: Машиностроение, 1964. -346 с.

98. О морфологии графита в чугуне // Экспресс-информация. Технология и оборудование литейного производства. - 1983. - №8. - Реф.38.

99. Захарченко, Э.В. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Э.В. Захарченко, Ю.Н. Левченко, В.Г. Горенко, П.А. Вареник. - Киев: Наукова думка, 1986. -248 с.

100. Сидоренко, Р.А. Влияние скорости охлаждения на форму графита в чугуне / Р.А. Сидоренко, В.И. Череменский, М.Д. Харчук // Литейное производство. - 1977. - №10. -С.10-14.

101. Шумихин, B.C. О получении непрерывнолитых чугунных заготовок сложного сечения / B.C. Шумихин //Литейное производство. -2011. - №2. - С.5-8.

102. Кристаллизация чугунов с вермикулярным графитом // Экспресс-информация. Технология и оборудование литейного производства. - 1976. - №31. - Реф. 190.

103. Chen, J.Y. Liquid metal channel formation in compacted/vermicular graphite cast iron solidification / J.Y. Chen, D.H. Wu, P.C. Liu, C.R. Loper Jr. // AFS. -1986. - V.94. - P.537-544.

104. Tiller, W.A. The redistribution of solute atoms during the solidification of metals / W.A. Tiller, K.A. Jackson, J.W. Rutter// Acta Metallurgica. -1953. -№1. -P.428-437.

105. Неижко, Н.Г. К вопросу образования форм графита в Fe-Si-C сплавах / Н.Г. Неижко // Литейное производство. - 1963. - №12. - С.30-32.

106. Задиранов, A.I-I. Теоретические основы кристаллизации металлов и сплавов: Учеб. пособие /А.Н. Задиранов, A.M. Кац. - М.: МГИУ, 2008. - 194 с.

107. Любченко, А.П. Высокопрочные чугуны / А.П. Любченко. - М.: Металлургия, 1982. -120 с.

108. Мильман, Б.С. Межфазное натяжение и форма графита, кристаллизующегося в жидком чугуне / Б.С. Мильман, ГШ. Александров, В.Т. Соленков // Литейное производство. -1976. - №5. - С.3-6.

109. Козлов, Л Л. Механизм сфероидизации графита / Л Л. Козлов, А.П. Воробьев // Литейное производство. - 1991. - №2. - С.3-5.

110. Гуляев, Б.Б. Теория литейных процессов / Б.Б. Гуляев. - Л.: Машиностроение, 1976. -216 с.

111. Шумихин, B.C. Высококачественные чугуны для отливок / B.C. Шумихин, В.П. Кутухов, А.И. Храмченков. - М.: Машиностроение, 1982. - 222 с.

112. Xu, Y. Thermal stresses in a cylinder block casting due to coupled thermal and mechanical effects / Y. Xu, J. Kang//Tsinghua science and technology. -2008. -V. 13 (2).-P.132-136.

113. Вейник, А.И. Литье в кокиль / А.И. Вейник. -М.: Машиностроение, 1980. -415с.

114. Гуляев, Б.Б. Тепловые процессы в отливках и формах / Б.Б. Гуляев. - М.: Наука, 1972. -184 с.

115. Bellet, М. Solidification macroprocesses (Modeling of stress, distortion and hot tearing) / M. Bellet, B.G. Thomas // Materials Processing Handbook. - 2007. - Chap.27.

116. Song, S. Thermal gap conductance: effects of gas pressure and mechanical load / S. Song, M.M. Yovanovich, K. Nho//Thermophysics. - 1992.-V.6.-№l.-P.62-68.

117. Коренев, Л.П. Анализ контактного взаимодействия отливки и формы. Тепловая задача / Л.П. Коренев, М.В. Александров // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011 .-№ 1.-С. 10-15.

118. Швецов, В.И. Соотношение параметров питания отливок с параметрами литья / В.И. Швецов, Б.А. Кулаков, А.Ю. Кожевников // Литейщик России. - 2009. -№11.- С.22-25.

119. Вейник, А.И. Теория затвердевания отливки / А.И. Вейник. - М.: Машгиз, 1960. - 435 с.

120. Rogberg, В. High temperature properties of steels and their influence on the formation of defects in continuous casting: Ph.D. Thesis / B. Rogberg. - Stockholm, 1982.

121. Александров, М.В. О повышении теплопроводности низколегированных термостойких чугунов / М.В. Александров // Литейщик России. - 2013. - №6. - С.26-28.

122. Сенченко, В.Т. Производство отливок из чугуна. Ч. 1.: Письменные лекции. / В.Т. Сенченко, А.А. Яценко, Ю.А. Синев. - СПб.: СЗТУ, 2001. - 56 с.

123. Александров, М.В. Повышение эффективности модифицирования чугуна для отливок стеклоформ интенсификацией процесса графитообразования / М.В. Александров, Д.Г. Чистяков // Литейщик России. - 2013. - №5. - С. 19-21.

124. Javaid, A. Critical conditions for obtaining carbide-free microstructures in thin-wall ductile irons / A. Javaid, J. Thompson, K.G. Davis // Transactions of the American Foundry Society. Kansas City, 2002. -P.889-898.

125. Javaid, A. Factors affecting the formation of carbides in thin-wall ductile iron castings / A. Javaid, J. Thompson, M. Sahoo, K.G. Davis // One Hundred Third Annual Meeting of the American Foundiymen's Society. Rosemont, 1998. -P.441-456.

126. Mampaey, F. Mold filling and solidification of thin-wall ductile iron casting / F. Mampaey, Z.A. Xu//AFS Transactions. - 1997. -V. 105. -P.95-103.

127. Showman, R.E. Process for thin-wall sand castings / R.E. Showman, R.C. Aufderheide // AFS Transactions. - 2003. - V. 111. - P.567-578.

128. Fras, E. Chilling tendency and chill of cast iron / E. Fras, M. Gorny, W. Kapturkiewicz, H. Lopez // Tsinghua Science and Technology. - 2008. - V. 13. - №2. - P. 177-183.

129. Болдырев, Д.А. Износостойкость тормозных дисков из чугуна с оптимизированным углеродным эквивалентом / Д.А. Болдырев, С.В. Давыдов // Литейщик России. - 2007. -№11.-С.36-38.

130. Александров, М.В. Влияние химсостава и микроструктуры чугунных отливок на термостойкость деталей стеклоформ / М.В. Александров // Литейное производство. -2012. -№8. - С.15-19.

131. ОСТ 21-75-88 Формовые комплекты для стеклоформующих машин. Общие технические условия.

132. Картошкин, С.В. Роль примесей Zr, Ti, Сг, В и Sb в формировании структуры и свойств чугуна для отливок: дис.... канд. техн. наук / С.В. Картошкин. - М., 2002. - 229 с.

133. Moore, A. Carbon equivalent of white cast irons / A. Moore // AFS Cast Metals Research Journal. - 1972. - V.3. -P.15-19

134. Колокольцев, B.M. Совершенствование режимов плавки высокохромистого чугуна и термообработки отливок из него / В.М. Колокольцев, В.Н. Аксенов, Н.Р. Забелин // Литейное производство. - 1986. -№ 3. - С.5-7.

135. Романов, О.М. Повышение служебных характеристик отливок из износостойкого чугуна, выплавленного на высокоуглеродистом феррохроме / О.М. Романов. - М.: ЫИИинформтжкмаш, 1972.

136. Кудрин, В.А. Взаимосвязь физических свойств жидкого расплава двойных сплавов со структурными изменениями в твердом состоянии / В.А. Кудрин // Сталь. - 1982. -№11.-С. 18-22.

137. Кульбовский, И.К. Методы определения оптимального легирования и модифицирования синтетического чугуна / И.К. Кульбовский // Литейное производство. - 1986. - №8. - С.5-7.

138. Кульбовский, И.К. Прогнозирование механических свойств отливок из серого синтетического чугуна / И.К. Кульбовский, C.B. Давыдов, И.И. Добровольский // Технология машиностроения. - 1979. - С. 137-144.

139. Алексаггдров, H.H. Производство высококачественных чугунов / H.H. Александров, Е.В. Ковалевич, А.Н. Подцубный //Литейное производство. - 1996. - №11. - С.11-14.

140. Смирнов, А.Н. Производство отливок из чугуна: Учеб. пособие / А.Н. Смирнов, И.В. Лейрих. - Донецк: Норд-Пресс, 2005.-245 с.

141. Баранов, Д.А. О механизме формирования вермикулярного графита при затвердевании чугуна / Д.А. Баранов // Литейное производство. - 2004. - №10. - С.2-3

142. Вареник, П.А. К вопросу о влияггии демодификаторов на форму графита в магниевом чугуне / П.А. Вареник. - Киев: ИПЛ АН УССР, 1974. - 420 с.

143. Elbel, Т. Influence of Al and Ti on microstructure and quality of compacted graphite iron castings / T. Elbel, J. Hampl // Metallurgy. - V.48. - 2009. - P.243-247.

144. Болдырев, Д.А. Технология получения чугуна с вермикулярным графитом в отливках при внутриформенном модифицировании сплавами Fe-Si-РЗМ / ДА. Болдырев, C.B. Давыдов // Литейщик России. - №1. - 2009. - С.24-27.

145. The efficiency of your magnesium treatment varies: check the following points // Sorelmetal Suggestions for Ductile Iron Production. - 2008. - V. 114.

s

146. Панов, А.Г. Совершенствование технологии модифицирования чугунов с шаровидным графитом Mg-Ni-Fe лигатурой / А.Г. Панов, А.Э. Корниенко // Литейщик России. - №3. - 2009. - С.27-30.

147. Тупатилов, Е.А. Разработка оптимальной технологии модифицирования отливок из чугуна / Е.А. Тупатилов, И.К. Кульбовский // Сб. информ. материалов междунар. науч.-техн. конф. Часть И. - Брянск: Изд-во БГИТА, 2000. - С.86-87.

148. Филинков, М.Д. Повышение механических свойств чугуна в отливках при модифицировании / М.Д. Филинков, Ю.Г. Гуревич, Н.Р. Фраге, A.B. Афонаскин // Литейное производство. - 1985. - №4. - С. 11-12.

149. Александров, М.В. Изготовление деталей стеклоформ из чугуна с вермикулярным графитом / М.В. Александров // Литейщик России. - №7. - 2012. - С.21-25.

150. Кудрин, В.А. Внепечная обработка чугуна и стали / В.А. Кудрин. - М.: Металлургия, 1992.-336с.

151. Ковалевич, Е.В. Экологически безопасная технология получения чугуна с шаровидным графитом / Е.В. Ковалевич // Литейное производство. - 2010. - №12. -с.2-5

152. Картошкин, C.B. О совместном влиянии сурьмы и РЗМ на микроструктуру и свойства промышленного чугуна / C.B. Картошкин, Ю.П. Кремнев, Л Я. Козлов // Изв. вузов. Чёрн. металлургия. - 2002. - №1. - С.49-52.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

РЕШЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ

Разобьем расчетную область в пределах от Я] до (рисунок 1) на ММ отрезков с Я —Я

шагом, равным к = —-- . При этом точки, разделяющие слои и находящиеся на

ММ

границах области, образуют М узлов с координатами

г. = Я. + (/ -1) ■ к

где

/=1,2,..,М; М=ММ+\

(О

Примем, что время, начиная с /=0, изменяется не непрерывно, а шагом А?, т.е. дискретное время можно определить по формуле:

1к = к ■ М

(2)

где

к-номер временного шага: к= 0,1,2,..^.

Искомым решением задачи является определение функции т(г, заданной в непрерывной области R[<r<R2нO<t< ?тах

г

и

м

и

а,

К,

Я, г

Рис. 1. Дискретная пространственно-временная сетка

При использовании МКР задача сводится к определению значений температур в дискретных узлах с координатами г = г,- в дискретных промежутках по времени ? = ^

Возьмем произвольный момент времени 4-, Температура в узлах будет равна Г( . На рисунке 2 приведена схема к конечно-разностной аппроксимации задачи по исследованию затвердевания отливки.

Рис. 2. Схема отливки, затвердевающей в литейной форме: 1 - жидкий сплав, 2 - форма; 3 - воздушный зазор

Выразим уравнение нестационарной теплопроводности (3.12) через функции:

т

Функция Кирхгофа: Я = |с(Г) • р(Т)с1Т

(3)

Функция Гудмена и =

(4)

дН = С(Т)- р(г)дТ . дЦ_ = лгт\^Т. д2Ц = дг Э* дг дг' дг2

Я(Т)

дТ дг

дг

(5)

Примем

дн я;+1-я; д и и?+1 -ги\ +и;_

д1

Аг

дг2 И?

ди и*+х -ии

-н\

дг 2Л,

I/*, -217* | Ки?+1-иЪ)

2и-Щ

(6)

(7)

(8)

или при 1 < / < М

' Л; 2(/-1) ' п 2(1-1) И]

К

Примем в первом приближении, что теплофизические свойства формы не зависят от температуры. С учетом этого

#2 = с2РгТ2 И и2 = ¿2Т2

Уравнение для стенки полуформы примет вид:

дТ2_

сгРг ~ А1 от

д*Т2 к(дТ-л

дГ

- + —

V дг ;

(9)

или

дТ,

Ы

Примем

Гд2Т2 к дТ7 Л

—--

дг г дг

У.

дт2 т21к+х-т21к

дг

М

д2Т Т2М - 2Т21 + Т21_{

дг'

К

дТ = Тк+1 -Тк^ дг 2к,

Тогда при 1 < / < N

грк+\ _ грк 1 2/ ~ 1 2;

Г 2 а7А^

1--^—

V

к

+ Тк + 1 2/+1

2 У

1 +

V

+ 1-1

а~,ЬЛ

2^ + Г2М(Ь

агЫ

к

У У

4^2

+ 1-1

' к.1

„ , Г I

При£=-и77 = д2-

дн д2и к ди „ ,

-= —- +---, 0 < £ < 1

дг] д%2 й 94

(10)

дТ2 дт]

= а

Гд2Т2 к_ дТ^

ее + $

1<^<1+

°± я

(11)

где

И 2 - шаги по координате £ = — в отливке и стенке формы, вычисленные

Я

*1 =

К

ММ -Я мм

1 и дФ

, а2 =

ММ-

где

ММ и Л(7У - число слоев при разбиении половины толщины стенки или радиуса отливки и формы.

К уравнениям (10), (11) необходимо добавить конечно-разностные уравнения, аппроксимирующие граничные условия.

Для аппроксимации граничных условий справедливы следующие уравнения:

1) условия на оси отливки

Н) к]

8ф

2) условия для наружной поверхности формы х = К+5ф,% = 1 н--, г = N

Я

гр к+1 _ ^ к

I2N ~12N

1аг-!\т] 2а2КАщ2 а2ка2КАг} 2а2Аг/ к

" ^ _ П ^ П ММ + ' .

Л2И2

3 ■ /,2 Л2Ш

Я2 (1 + —) *

2а2Яа2Ат] а2ка2ЯАг/

Л2И2

2 л

3) условия на границе отливка - форма

фк+1 _ фк

, 2(т2к2-т2\)

-—--1--Г-

V Л/

Ч ) )

к?

ы

И,

кАт]

где

С2Р2

ф = нм+втш в = - 2

^ 2Л

к + — ч ки

-к

Як+\ и\к+1 пф к+1

м =Ф

тк+1 „ 1

тш =(рф

грк+1 _ грк+\

12\ ~ 2т

Необходимо добавить начальные условия Тк{ °(1 < / < М) = Г|0 7^=0 (1 < / < М) = Т20 и конкретный для данного случая вид функций Г, (Ф), Г, (С/).

Начальные условия.

В месте контакта мгновенно создается общая температура:

Тк ~ ^20 + (^10 ~ ^20 )'

¿1 +¿2

где

Ъ2 = л\к2-с2- р2 , Ъх - Л]ЛЖ - сж • рж - коэффициенты аккумуляции тепла формы

и отливки.

Начальные условия

Тк=° (1 < / < М) = Т10; Т2кГ° (1 <1<М) = Т20 - Тк; Фк=0 = Нj (Тк) + ВТк

грк=0 _ грк=0 _ т

21 ~ 1\М ~1к

Для расчета функций Н(т):

При Т<ТС Н(т) = |ств • ртвйТ

о

При Т=ТС Н(т) = Нс = ств ■ ртв • Тс

т

При Тс <Т<ТЛ Н(Т) = ствРтвТс + сж_трж_т (Т -Тс)+ \Рж_тгспс1Т,

тс

где

вК

г =

СП

Т -Т

м л -1 с

При Т=ТЛ н(т) = НЛ= ств ■ ртв • Тс + сж_трж_т(Тл -Тс) + (2крр„ При Т>ТЛ

= Нл ~ ств ' Ртв ' Тс + Сж-тРж-т ("Г/г ~~ ^с ) + QкpPж-m + сжРж — ^л )

Для расчета функций и (т): При Т<ТС и = 1тд • Т

При Тс <т<тл и = Лтв ■ Тс + Л„ (т-тс)

Прит>тл и = хте • тс + яж_т(:Г-ТС)+ЛЖ(Т-ТЛ)

Функции Г, (ф), Г, (с/) определяются из соответствующих функций ф(т),и(т). Таким образом, совокупность линейных уравнений, связывающих температуру каждой точки с предыдущей, позволяет построить температурные поля, как для отливки, так и для формы.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

УТВЕРЖДАЮ

'''' \ Генеральный директор

-ЗАО «Завод «Флакс-Орел» • Ч (¿.JiV^""*

С.ЛЛ'уболевский

АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов кандидатской диссертационной работы

Александрова Максима Валерьевича

па тему: «Разработка химических составов н технологии получения низколегированных термостойких чугунов для деталей стеклоформ»

Настоящий акт составлен в том, что на основании исследований, проведенных автором, получены следующие результаты:

1. Внедрены и применяются в производственной практике низколегированные термостойкие чугуны для деталей стеклоформ, внесенные в ТУ 4111-00333928912-2008.

2. Внедрен процесс выплавки чугуна высокого качества с применением дисперсных стружечных отходов и его термовремемнон обрабо1ки,

3. Разработана и внедрена тсхнолошя ковшевого модифицирования чугунов с вермикулярны.м графитом.

4. Разработаны параметры легирования исходного расплава, обеспечивающие получение феррнтной матрицы чугунов с пластинчатым и вермикулярным графтом.

5. Выявлены и устранены причины возникновения специфично! о дли деталей стеклоформ дефекта - "апельсиновая корка".

6. Разработан комплекс математических зависимостей, который позволяет на стадии проектирования деталей стеклоформ определить распределение температурных полей в отливке, скорость се затвердевания и соответствующие параметры микроструктуры и свойств. Использование указанных результатов позволяет повысить эксплуатационную

стойкость получаемых легален, снизигь брак по лнтыо при одновременном сокращении материальных и энергетических затрат.

Годовой экономический эффект от внедрения научных разработок автора составил 4,79 млн.руб.

Заместитель генерального директора

Н П. Семенова ,

(IW,«U!CI.)

(■¡•чмишя)

утверждаю ^ г

-исономию в сумме ./«/У

_____ с

«

/ V

■-/■/» <гс<£4#>*>- 2013 г.

ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОС ТИ

Наименование пок.ттли Ьдшшпл измерения В расчете на I од

до внедрении после | .экономия (+) внедрения | \дорожанне (-)

Головой обгем выписка про^и К НИИ т тыс р>б

Фактические ¿атр.пы

Экономия ВСЕГО

Экономия по элементам затрат - основные материалы 11 _ -- ---------- /г.-и^гЗ

- вспомогательные материалы энер! ия

- топливо и

- тарплата - —---

- гранспоргно-мгетовительные расчолы

- покхпные идделии Н |