Файл: Степнов И.Е. Конструирование форм для стеклянных изделий.pdf

3. Серые нелегированные и низколегированные чугуны

Серые нелегированные и низколегированные чугуны — основ­ ной материал для изготовления деталей форм. Так, например, для изготовления большей части основных деталей форм в МРТУ 27- 05-041—66 указаны серые чугуны СЧ 21-40 или СЧ 24—44 ГОСТ 1412—70. Лишь для некоторых деталей форм применяются стали ХВГ, ХГ (ГОСТ 5950—63), 3X13 и 4X13 (ГОСТ 5632—61).

Широкое применение серых чугунов для форм объясняется рядом присущих им положительных качеств: высокие литейные свойства, хорошая обрабатываемость на металлорежущих станках, малая чувствительность к концентрации напряжений, высокие по­ казатели по прочности на сжатие и теплопроводности, недефицит­ ность исходных шихтовых материалов и др.

Вместе с тем серые чугуны имеют и много недостатков: повышенная чувствительность к толщине стенок отливок; явление роста, заключающееся в необратимом изменении объ­

ема чугунных деталей в условиях повышенных температур при отсутствии внешних усилий;

падение механических свойств как прочностных, так и пласти­ ческих в условиях режима эксплуатации при температуре выше

450—500° С;

наличие довольно интенсивных коррозионных процессов, про­ исходящих при рабочих температурах форм;

недостаточно высокие верхние значения температур прилипания стекла к формующим поверхностям;

низкая пластичность; не обеспечивающая требований производства стойкость форм.

За последнюю четверть века проведен большой объем работ по изысканию оптимальных по свойствам чугунов. Установлено влия­ ние отдельных компонентов и скорости охлаждения при кристал­ лизации, а также эвтектическом превращении на структуру, меха­ нические свойства, износостойкость, коррозиостойкость и другие свойства.

Однако специфические условия работы форм вызывают необ­ ходимость расширения технических требований к чугуну, предъяв­ ляемых ГОСТ 1412—70 по химическому составу, структуре, росто- и термостойкости и другим параметрам.

Наиболее высокими эксплуатационными свойствами по износо- и коррозиостойкости, качеству поверхности изделия обладают чу­ гуны с перлитной металлической основой.

Перлитная структура в нелегированных чугунах образуется при суммарном содержании в нем 4,5—5,5% углерода и кремния, 0,7—0,9% марганца, а также определяется выбором режима охлаждения чугуна в период кристаллизации после заливки

вформу.

Всвязи с тем что процессы графитизации и образования фер­

рита зависят от скорости охлаждения, оптимальное содержание

161

углерода и кремния будет различным для деталей форм с раз­ ными толщинами стенок.

При больших толщинах стенок процессы графитизации и ферритообразования интенсифицируются и, следовательно, для обес­ печения максимальной стойкости деталей форм в этом случае сум­ марное содержание углерода и кремния в чугуне должно быть меньше, чем при отливке тонкостенных деталей.

Металлические кокили способствуют увеличению скорости охлаждения жидкого металла, что позволяет получить мелкозерни­ стую плотную перлитную структуру при большем суммарном со­ держании углерода и кремния. Так, например, на одном из сте­ кольных заводов при выработке сложных изделий из термостой­ ких стекол для форм длительное время применяли нелегированный серый чугун. Плотность мелкозернистой структуры и удовлетво­ рительная термостойкость форм достигались подбором шихты, в которой до 40% составлял стальной лом. Образцы, вырезанные

ческой основы представляла собой перлит с небольшим количест­ вом (до 30%) феррита. По механическим свойствам такой чугун соответствовал чугуну марки СЧ 21-40.

В Чехословакии для изготовления форм с 1963 г. рекомендован серый чугун с ферритно-перлитной структурой следующего со­ става, % [54j:C = 3,50±0,25;Si = l,90±0,30; Mn = 0,60±0,20; S^0,12; Р 5^0,4.

Если принять во внимание, что состав шихты подбирали с уче­ том многочисленных корректив На основании эксплуатационных качеств пресс-форм, то можно сделать вывод о рациональности выбранных составов.

Следует отметить, что многочисленные по химическому составу низколегированные хромоникелевые чугуны, чугали, силалы, никросилалы и другие материалы не обеспечили заметного повышения термостойкости деталей пресс-форм по сравнению с нелегирован­ ными при выработке изделий из стекломассы для термостойких стекол. При выработке же изделий из простых стекломасс износ форм из нелегированного чугуна происходил не вследствие обра­ зования сетки трещин, а вследствие коррозии, выкрашивания, за-

И все же применение низколегированных чугунов различных ма­ рок обеспечивало значительное повышение стойкости форм по сравнению с нелегированными чугунами. Это обеспечивалось улуч­ шением показателей материала по твердости, прочности, коррозиостойкости и другим характеристикам за счет введения соответ­ ствующих легирующих элементов.

Значительно сложнее обстоит дело при выработке термостойких стеклянных изделий, когда пресс-формы выходят из строя после 250—300 циклов из-за сетки разгара по формующим поверхностям.

162

Установлено следующее влияние отдельных элементов в со­ ставе чугуна на его термостойкость. При содержании в чугуне от 3 до 3,5% углерода с увеличением содержания кремния примерно до 1,9% термостойкость пресс-форм повышается, а затем вновь понижается.

Оптимальное содержание в чугуне марганца 0,6—0,8%.

На стойкость чугунных пресс-форм отрицательно влияют при­ меси фосфора и серы. Для нейтрализации вредного влияния серы в чугуне отношение содержания марганца к содержанию серы должно быть в пределах 8:12.

Появление в структуре чугуна хрупких карбидов хрома и фосфидной эвтектики резко понижает термостойкость форм. В неко­ торых случаях сетка глубоких трещин возникала при опробова­ нии форм.

Существенное влияние на термостойкость чугуна оказывает его ростостойкость. Более ростостойкие чугуны обычно бывают и более термостойкими.

Для определения линейного роста серого чугуна 6 в литера­ туре приводится следующая формула:

6= 0,32—0,21 (Mn) +0,13(Si) —

где б и содержание элементов даны в процентах.

Чугуны с меньшей теплопроводностью при прочих равных усло­ виях имеют меньшую термостойкость.

Известно большое количество чугунов, рекомендуемых для из­ готовления форм. Рассмотрим здесь лишь особенности выбора технических характеристик чугуна.

Наибольшее распространение получили низколегированные хро­ моникелевые чугуны. Такие чугуны с содержанием до 3% легирую­ щих элементов являются довольно хорошим материалом для из­ готовления основных деталей пресс-форм.

Благодаря присадке никеля и хрома чугун получается с повы­ шенными механическими свойствами и мелкозернистой структурой, имеет хорошую жидкотекучесть.

Для повышения механической прочности в хромоникелевых чугунах следует понижать содержание углерода. Хромоникелевые чугуны хорошо обрабатываются режущим инструментом, прини­ мают шлифовку и полировку.

В связи с противоположным влиянием хрома и никеля на структуру чугуна их количество должно быть в строго определен­ ном отношении. Так, при наличии в чугуне 0,1—0,25; 0,25—0,50; 1% хрома никеля должно содержаться соответственно 0,3—0,5; 0,80—1,75; 2—3%.

Для полной нейтрализации отбеливающего действия хрома от­ ношение его к содержанию никеля должно быть 1 : 3.

При введении в шихту хрома и никеля с природнолегирован­ ными халиловскими чугунами можно допустить их соотношение 1:1. Присадкой в шихту до 50% халиловского чугуна содержание хрома в чугуне можно повысить до 1,5%.

163

164

Добавка меди в хромоникелевые чугуны положительно влияет на их свойства: улучшаются обрабатываемость, механические свойства, износо- и коррозиостойкость.

Присадка в шихту титаномедистого чугуна повышает износо­ стойкость и прочность серого чугуна. Характерными особенностями чугунных отливок с присадкой в шихту до 10% титаномедистого чугуна марок БТМЛ-3, БТМЛ-4 и БТМЛ-5 является их мелкозер­ нистая структура, повышенная плотность и хорошая обрабатывае­ мость при больших скоростях резания. Содержание титана в от­ ливках для пресс-формы от 0,05 до 0,15%.

При одновременном введении элементов, препятствующих графитообразованию, например хрома, марганца, молибдена, ванадия, значительно увеличивается прочность чугуна.

Применение титаномедистых, а также сложнолегированных хромоникелетитаномедистых чугунов является одним из путей улуч­ шения качественных показателей чугунных форм.

Положительное воздействие на свойства чугуна оказывает его легирование лишь одной медью в количестве от 0,5 до 2%. Окислы меди, образующиеся при высоких температурах на формующих поверхностях пресс-форм, защищают их от окалинообразования. Пресс-форма хорошо отдает стеклянное изделие при повышенных температурах.

Термостойкость пресс-форм из медистых чугунов довольно вы­ сокая. При выработке термостойких стекол сетка трещин на фор­ мующих поверхностях деталей из медистого чугуна образуется значительно позднее, чем в формах из хромоникелевого и простого серого чугунов. Медистые чугуны значительно лучше обрабаты­ вать, чем хромоникелевые, что особенно важно при ручной обра­ ботке сложной гравюры.

Условные марки и составы чугунов, рекомендуемые для заго­ товки пресс-форм, приведены в табл. 13.

Сос¥ав под условной маркой ХНМоЗ разработан Гусевским филиалом Государственного института стекла. Легирование хро­ мом, никелем, титаном производилось присадкой в шихту при­ роднолегированного халиловского чугуна ЛХЧ-3, а легирование молибденом — вводом в шихту ферромолибдена Мо-1. Состав ХНМ8-1-1 применяют для изготовления экранов кинескопов и дру­ гих изделий. Состав ХНМЛ применяют для изготовления стеколь­ ных форм в США. По литературным данным этот чугун довольно стоек при высоких температурах.

с большим содержанием графита.

Из приведенных выше составов низколегированных чугунов из­ готовляют пресс-формы с достаточно высокими эксплуатацион­ ными качествами. Необходимая структура достигается соответ­

165