Форма для изготовления стеклянных изделий и способ ее получения
Изобретение относится к формам для изготовления стеклянных изделий и может быть использовано в стекольной промышленности. Форма для изготовления стеклянных изделий выполнена из серого ферритно-перлитного чугуна, содержащего, вес.%: углерод - 3,2-3,6; кремний - 1,8-2,3; марганец - 0,5-0,7; хром - 0,00-0,25; никель - 0,6-0,9; молибден - 0,3-0,5; титан - 0,00-0,1; медь - 0,1-0,2; сера - 0,00-0,1; фосфор - 0,00-0,1; железо - остальное, и имеющего структуру, состоящую минимум из 95% феррита и не более 5% перлита, в которой свободный графит имеет пластинчатую форму, причем на внешней стороне формы графит имеет крупнозернистую структуру, а на внутренней - мелкозернистую. Форму отливают из чугуна указанного состава, при этом литье производится на металлический охладитель. Техническим результатом является обеспечение стабильности микроструктуры, необходимой теплопроводности, прочности, сопротивления растрескиванию и износостойкости форм для изготовления стеклянных изделий. 2 н.п. ф-лы.
Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано при изготовлении форм для производства стеклянных изделий.
Известны форма для производства стеклянных изделий и способ ее изготовления (RU 2288195, C22C 37/04, 20.06.2004 г.), форма выполнена из аустенитного чугуна нирезист.
Способ изготовления заключается в расплаве шихты, выплавке, литье формы при этом в процессе отливки проводится избирательное управление теплопроводностью формы путем изменения содержания магния, серы и титана.
Однако форма, изготовленная из такого материала и таким способом, обладает низкой теплопроводностью, низкой износостойкостью, кроме того, из-за большого содержания никеля в составе материала форма отличается дороговизной. Сложность изготовления и трудности при механической обработке не позволяют формам из нирезиста найти широкое применение.
Для производства качественных стеклянных изделий различной высоты форма должна отвечать следующим требованиям: высокая теплопроводность, высокая износостойкость, устойчивость к растрескиванию при воздействии теплового цикла, экономичность, высокие механические свойства.
Перед авторами стояла задача разработки состава материала формы для изготовления стеклянных изделий и способа изготовления формы, отвечающего вышеперечисленными требованиями.
Для решения этой задачи чугунная форма для изготовления стеклянных изделий выполнена из чугуна, содержащего, мас.%: углерод 3,2-3,6, кремний 1,8-2,3, марганец 0,5-0,7, хром 0,00-0,25, никель 0,6-0,9, молибден 0,3-0,5, титан 0,00-0,1, медь 0,1-0,2, серу 0,00-0,1, фосфор 0,00-0,1, железо - остальное. При этом чугун имеет структуру, состоящую минимум из 95% феррита и не более 5% перлита, а свободный графит имеет пластинчатую форму, причем на внешней стороне чугунной формы графит имеет крупнозернистую структуру, а на внутренней - мелкозернистую.
Способ изготовления чугунной формы для производства стеклянных изделий состоит в плавке чугуна и литья формы. Сущность изобретения состоит в том, что плавят чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,2-3,6, кремний 1,8-2,3, марганец 0,5-0,7, хром 0-0,25, никель 0,6-0,9, молибден 0,3-0,5, титан 0-0,1, медь 0,1-0,2, серу 0-0,1, фосфор 0-0,1, железо - остальное, а литье осуществляют на металлический охладитель, после чего отливки подвергают высокотемпературному отжигу.
Технический результат достигается за счет экспериментально подобранного качественного и количественного состава сплава.
В способе получения формы используют индукционную электроплавку, обеспечивающую возможность наиболее точного регулирования химического состава и хорошее перемешивание жидкого чугуна. Плавку производили в индукционных тигельных печах емкостью 160 и 400 кг с нейтральной футеровкой. Для получения однородной структуры жидкого чугуна, лучшего растворения остатков графита и других включений применяли перегрев расплава до 1450°C. Модифицирование проводили в разливочных ковшах емкостью 200 и 500 кг. В состав модификатора включен силикобарий с целью наиболее глубокого рафинирования металла. Модификатор давали на струю при выпуске металла из печи в ковш. Формы заливают со скоростью 5-7 кг/с, которую обеспечивают сечением каналов литниковой системы, формируемых во время изготовления форм. После заливки металла происходит остывание отливок в форме до температуры выбивки.
При производстве высокой стеклотары на высокоскоростных стеклоформующих машинах теплопроводность выходит на первый план, так как значительная часть тепла должна быть отведена через материал стеклоформ.
Требуемая теплопроводность чугунных форм, предназначенных для производства стеклянных изделий достигается путем формирования компактного графита в микроструктуре формы в ходе подготовки плавки литья стеклоформ.
Самый важный фактор, влияющий на теплопроводность - содержание углерода, чем больше углерода в металле, тем выше его теплопроводность. Однако общее содержание углерода в чугуне ограничено величиной углеродного эквивалента. Значение углеродного эквивалента не должно превышать 4,3%, только в этом случае застывание расплава начнется с железа, и графитные зерна приобретут необходимые размеры и форму.
Измерения показали, что чугун с крупнозернистым и равномерным графитом обладает наилучшей теплопроводностью, поэтому такая структура лучше всего подходит для внешней стороны форм.
Глубина 30 мм соответствует наиболее рыхлой из-за позднего затвердевания зоне отливки. Эта зона определяет во многом теплопроводность отливки в целом. Теплопроводность повышается при увеличении доли феррита в структуре металлической матрицы.
Основным показателем, определяющим плотность, является микроструктура чугуна на глубине 4 мм. Глубина 4 мм соответствует зоне рабочего слоя стеклоформы после механической обработки, и ее структура позволяет охарактеризовать работоспособность стеклоформ. В этой зоне важна мелкозернистая структура чугуна, которая улучшает полируемость формы.
Для достижения необходимой плотности отливки по вертикальному сечению литье производится на металлический охладитель, установленный в песчаной форме. При контакте жидкого металла с охладителем, установленном в форме, происходит резкое увеличение скорости затвердевания отливки. Быстрое охлаждение металла на металлическом охладителе позволяет получить необходимую структуру заданной толщины.
Для успешной эксплуатации стеклоформ, кроме теплопроводности, важное значение имеет сопротивление растрескиванию и износостойкость. Для этого важно, чтобы основа чугуна состояла минимум на 95% из феррита и не более 5% перлита. Если количество перлита превысит 5%, то он будет превращаться обратно в феррит в процессе стеклопроизводства. Эти превращения спровоцируют объемные внутренние изменения, которые приведут к пластической деформации стеклоформ. Для получения необходимой ферритно-перлитной структуры отливки из чугуна подвергаются термообработке - высокотемпературному отжигу.
Как описано выше, в чугуне форм железо находится в состоянии феррита, чтобы избежать деформации на стеклоформующей машине. Однако чистый феррит очень мягкий и плохо сопротивляется изнашиванию. Одним из элементов, способных укрепить феррит, является кремний, но количество кремния ограничивается углеродным эквивалентом.
Никель, хром и марганец так же увеличивают прочность феррита без потери пластичности. В сером чугуне упрочняющее воздействие на металлическую основу легирующими элементами парализуется формой графита. Тем не менее, необходимость легирования подтверждается условием эксплуатации чугуна в условиях высоких температур.
Повышение сопротивления растрескиванию ведется двумя способами:
1. Увеличение теплопроводности чугуна, что приводит к меньшей разности температур внутри материала и, следовательно, к снижению пиков напряжения.
2. Увеличение механической прочности чугуна путем легирования его молибденом. Этот элемент тормозит процесс снижения предела прочности при повышении температуры.
В результате проведенных исследований был найден компромисс между теплопроводностью и износостойкостью чугуна. Экспериментально проведен подбор необходимого содержания углерода, кремния и остальных компонентов. Установленный количественный баланс серы и марганца способствовал повышению твердости чугуна.
Таким образом, состав материала формы для изготовления стеклянных изделий имеет следующий состав, вес.%: углерод 3,2-3,6, кремний 1,8-2,3, марганец 0,5-0,7, хром 0,00-0,25, никель 0,6-0,9, молибден 0,3-0,5, титан 0,00-0,1, медь 0,1-0,2, сера 0,00-0,1, фосфор 0,00-0,1, железо - остальное.
Использование указанного состава в качестве материала для изготовления форм позволило получить качественные стеклянные изделия различных высоты, объема и формы. Кроме того, предложенный способ изготовления формы и состав материала позволили отработать график смены формокомплектов на линиях стеклоформующих машин и увеличить интервал между ними, а в итоге - получить приемлемые экономические показатели на финишных операциях производства стеклотары.
На основании вышеизложенного с учетом проведенных патентно-информационных исследований считаем, что предлагаемое нами изобретение может быть защищено патентом Российской Федерации.
1. Чугунная форма для изготовления стеклянных изделий, отличающаяся тем, что она выполнена из чугуна, содержащего, мас.%: углерод 3,2-3,6, кремний 1,8-2,3, марганец 0,5-0,7, хром 0,00-0,25, никель 0,6-0,9, молибден 0,3-0,5, титан 0,00-0,1, медь 0,1-0,2, сера 0,00-0,1, фосфор 0,00-0,1, железо - остальное, и имеющего структуру, состоящую минимум из 95% феррита и не более 5% перлита, в которой свободный графит имеет пластинчатую форму, причем на внешней стороне чугунной формы графит имеет крупнозернистую структуру, а на внутренней - мелкозернистую.
2. Способ получения чугунной формы для изготовления стеклянных изделий, включающий плавку чугуна и литье формы, отличающийся тем, что плавят чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,2-3,6, кремний 1,8-2,3, марганец 0,5-0,7, хром 0,00-0,25, никель 0,6-0,9, молибден 0,3-0,5, титан 0,00-0,1, медь 0,1-0,2, сера 0,00-0,1, фосфор 0,00-0,1, железо - остальное, литье осуществляют на металлический охладитель, после чего отливки подвергают высокотемпературному отжигу.
