книги из ГПНТБ / Степнов И.Е. Конструирование форм для стеклянных изделий

где М — стоимость материала, руб.; 5ф — себестоимость изготовления пресс-формы, руб.; Сф— себестоимость ремонта, руб.;

Следует отметить, что стоимость материала составляет незна­ чительную часть формы — всего 5—8%, а остальные статьи рас­ ходов образуются за счет затрат на ее изготовление, которые обу­ словливаются технологией изготовления.

Для различных материалов колебания расходов на изготовле­ ние форм могут быть учтены введением коэффициента обрабаты­ ваемости.

В связи с меньшим колебанием значения 5ф + С ф , чем N, опре­ деляющим фактором себестоимости является стойкость формы.

На основании анализа свойств некоторых известных материа­ лов их можно расположить в порядке уменьшения термостойкости, при температуре до 500° С приблизительно в следующем порядке

1.Аустенитные специальные стали, содержащие, кроме хрома, дополнительно до 12% никеля и другие легирующие элементы.

2.Мартенситные специальные стали, содержащие от 12 до 20% хрома.

3.Алюминиевые бронзы (до 10% алюминия).

4.Ковкие чугуны перлитного класса с присадкой меди от 0,5 до

1,5%.

5.Ковкие чугуны перлитно-ферритного и ферритного классов.

6.Машиноподелочные углеродистые стали с никелевым покры­

тием.

7.Машиноподелочные углеродистые стали с хромовым покры­

тием.

8.Специальные жаростойкие чугуны.

9.Высокопрочные чугуны.

10.Модифицированные низколегированные чугуны — хромони­

келевые, титаномедистые и медистые.

11.Немодифицированные низколегированные чугуны на пер­ литной основе.

12.Простые серые чугуны без легирующих элементов типа СЧ

21-40.

13.Простые серые чугуны без легирующих элементов типа СЧ

15-32.

14.Теплостойкие алюминиевые сплавы с анодированными или никелированными рабочими поверхностями деталей форм.

Из-за чрезвычайно большого количества марок и модификаций различных материалов, которые представляют интерес в свете требований к ним как материалу для форм, в данной работе не представляется возможности произвести их глубокое исследо­

вание.

Общие сведения о большинстве из названных материалов имеются в специальной литературе.

160

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

В некоторых случаях производится высокотемпературный отжиг или нормализация для изменения структуры чугуна.

При доминирующем абразивном износе деталей пресс-форм целесообразно проводить термоулучшение — закалку с высоким отпуском.

Серые простые и низколегированные хромоникелевые чугуны, модифицированные ферросилицием или силикокальцием, обладают более положительными свойствами, чем немодифицированные по однородности структуры, обрабатываемости и эксплуатационным качествам.

При отливке в кокиль заготовки из модифицированного чугуна не имеют отбела, в то время как у немодифицированных чугунов иногда отбел избежать не удается.

По технологии операция модифицирования чугуна проста и мо­ жет быть осуществлена на любом участке, имеющем вагранку или другие установки для плавки.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—70) пока еще не нашли широкого применения для изготов­ ления форм. Однако более высокая ростостойкость и коррозиостойкость этих чугунов, легированных хромом, никелем, молибде­ ном, в некоторых случаях позволяют более эффективно использо­ вать их, чем серых низколегированных. При выработке изделий из стекломассы хрусталя, полухрусталя и простого посудного стекла целесообразно применять для форм высокопрочные чугуны с перлитной структурой, а термостойких типа МКР-1— формы с ферритной структурой. Заготовки из высокопрочных чугунов требуют отжига.

4. Ковкие чугуны

Ковкие чугуны — прекрасный материал для изготовления прессформ. Обладая такими же теплофизическими свойствами, как и се­ рые чугуны, они имеют ряд положительных свойств, которых не хватает серому чугуну. К числу этих ценных свойств относятся их довольно высокая пластичность, износостойкость, ростоустой­ чивость, хорошая обрабатываемость на металлорежущих станках и слесарным способом.

Присадка меди в количестве 0,5—1,7% значительно повышает износостойкость, коррозиостойкость и прочность ковкого чугуна.

Основным недостатком ковких чугунов как материала для пресс-форм является трудность получения отливок с большой тол­ щиной стенок. Этот недостаток можно устранить двумя путями. Первый путь — применением вкладышей с толщиной стенок 12—18 мм, запрессованных в корпус матрицы из серого чугуна или машиноподелочной стали, второй — оребрением вспомогательных поверхностей деталей пресс-форм.

Пуансоны и формовые кольца можно изготовлять из ковких чугунов непосредственно. Применение этих чугунов для колец с фа­ цетом обеспечит повышение их стойкости по сравнению с коль­

166

цами из серых чугунов в несколько раз, так как вероятность вы­ крашивания кромок значительно уменьшится.

Наиболее эффективно применение ковких чугунов, по-видимому, будет при изготовлении деталей небольших и средних размеров.

5. Жаростойкие чугуны

Жаростойкие чугуны (ГОСТ 7769—63) ограниченно использу­ ются как материал для пресс-форм из-за дефицитности присадок, большой твердости и низкой теплопроводности.

Кремнистые чугуны ЖЧС-5,5 (силал) имеют ограниченное при­ менение из-за повышенной хрупкости и довольно высокой твер­ дости.

Жаростойкость чугунов силал повышается с содержанием крем­ ния 5% и более. Однако при высоком проценте кремния силал не поддается обработке режущим инструментом. Содержание угле­ рода в кремнистом чугуне с точки зрения жаростойкости должно быть как можно ниже (не более 2,8%).

При повышении содержания углерода на жаростойкость благо­ приятно сказывается введение 0,8—1,5% хрома.

Для отливок с толщиной стенок более 10 мм зависимость между углеродом, кремнием и хромом можно выразить неравенством:

C+ Si—Сг^4,5% .

Литейные свойства силала ниже, чем у обычного чугуна. Усадка составляет примерно 1,4%.

В практике также находит применение чугаль с содержанием алюминия от 5,5 до 7%, а иногда дополнительно легированный кремнием, хромом, никелем и медью.

Кремниево-алюминиевые чугуны отличаются высокой жаро­ стойкостью при температуре до 1000° С и в то же время удовле­ творительно обрабатываются.

Для обеспечения достаточной жаростойкости пресс-форм при 800° С необходимо выполнить условие:

%Si+%Al>8,5.

К ценным свойствам кремниево-алюминиевых чугунов отно­ сится также возможность обеспечения высокой чистоты их поверх­ ности при полировке и ее сохранение при нагреве.

Плавка кремниево-алюминиевых чугунов связана с известными трудностями, обусловленными влиянием алюминия на состояние жидкого металла. По мере увеличения количества алюминия уменьшается растворимость углерода в сплаве, и возрастает вы­ деление графитной спели, ухудшающей жидкотекучесть и качество отливок.

Конечное содержание углерода в чугуне по отношению к ис­ ходному при одном и том же количестве алюминия уменьшается с увеличением содержания кремния, и наоборот: при одном и том же

167

количестве кремния содержание углерода уменьшается с увели­ чением концентрации алюминия.

Для предотвращения образования графитной спели необходимо обеспечить в исходном чугуне достаточно низкое содержание угле­ рода, которое не превышало бы предел растворимости в жидком металле, с учетом наличия кремния и алюминия:

% С<4,2—0,3Si—0,1А1.

Для уменьшения угара в чугунах типа чугаль твердый алюми­ ний вводят в жидкий чугун под зеркало металла с помощью спе­ циального приспособления в виде колокола и др. При таких усло­ виях угар алюминия окажется минимальным и не превысит 10—20%.

Чугаль можно плавить 'в вагранке, в электрических и нефтя­ ных печах.

6. Стали и сплавы

За последние годы предложено большое количество легирован­ ных сталей и сплавов, которые можно использовать для изготов­ ления основных деталей пресс-форм и форм. Некоторые из этих сталей и сплавов приведены в табл. 14.

Из данных табл. 14 видно, что основными легирующими эле­ ментами в этих сталях и сплавах являются хром и никель.

Анализ различных марок хромоникелевых сталей' показывает, что их жаростойкость повышается с увеличением содержания хрома. Это объясняется образованием на поверхности стали плот­ ной пленки окислов хрома или смеси окислов хрома и окислов железа. В последнем случае количество хрома в пленке должно быть больше, чем среднее количество его в стали.

Жаростойкими являются стали с содержанием хрома не менее 4,5—6%, например сталь марки Х5 мартенситного класса поГОСТ

0,3 г/м2 - ч.

Несмотря на очень большое количество марок жаростойких, коррозиостойких сталей и сплавов, выпускаемых у нас и за гра­ ницей, выбор оптимальной стали или сплава по комплексу спе­ цифических требований для изготовления пресс-форм весьма за­ труднителен.

Современные высокие темпы выработки требуют, кроме жаро­ стойкости, высокой теплопроводности металлов форм. Однако с по­ вышением содержания легирующих элементов теплопроводность понижается. В этой связи значительный интерес представляют стали и сплавы, теплопроводность которых с повышением темпе­ ратуры возрастает и достигает максимума при 450—550° С. Таким свойством обладают аустенитные стали и жаропрочные сплавы на основе никеля. Из аустенитных сталей наибольшей теплопровод­ ностью при температуре 500° С обладают стали марок 1Х18Н9Т

168

169