книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]

платинового сплава с неблагородными элементами. Возможный механизм указанных разрушений платино­

ломассу от стальных стерж­ ней и щипцов, используемых при отладке системы пода­ чи стеклянных шариков в сосуд. Поэтому не исключено, что в производственных условиях даже при относительно малых концентрациях неблагородных металлов в стекло­ массе, при длительном взаимодействии этих металлов с платиновым сплавом может постепенно происходить его охрупчивание, приводящее к разрушению.

Исключить такое разрушение стеклоплавильных сосу­ дов можно, повышая культуру их эксплуатации.

Разрушение платинового сплава наблюдается, когда неблагородные металлы или их агрессивные окислы, на­ ходясь в огнеупорной керамической футеровке стекло­ плавильного сосуда, непосредственно взаимодействуют с его корпусом. Такие разрушения в виде свищей, тре­ щин, отверстий овальной и многогранной формы могут наблюдаться на любом элементе сосуда, который нахо-

:232

дился в контакте с огнеупорной керамикой (рис. 107). Как правило, отверстия имеют кратерообразную форму. Их размер на внешней поверхности стенок (со стороны

участка разрушения стеклоплавильного сосуда (х 100).

керамики) больше, чем размер на внутренней поверхно­ сти (со стороны стекла). Иногда имеются десятки таких

ся в керамической футеровке не в чистом виде, можно считать, что участки платинового сплава, обогащенные железом, имеют повышенное содержание и других не­ благородных металлов или металлоидов. Кратерообраз­

ная форма отверстии, данные спектрального и микроско­ пического анализа, а также практически одновременное появление отверстии на большей части поверхности сте­ нок сосуда, позволяют сделать вывод о том, что причиной образования этих отверстий является химическое взаи­ модействие платинового сплава с железом и другими не­ благородными металлами, находящимися в футеровке.

Такой вид разрушения стек­ лоплавильных сосудов до­ вольно часто встречается на практике. Однако разруше­ ние сосудов из-за низкока­ чественной керамической фу­ теровки следует объяснять не условиями эксплуатации сосуда; причиной такого раз­ рушения является примене­ ние футеровочных материа­ лов, не соответствующих по чистоте, предъявляемым к ним требованиям. Необхо­ димо, чтобы керамика, при­ легающая к стенке сосуда, не содержала вредных при­ месей; для удаления приме­

сей применяется магнитная сепарация и химическая об­ работка керамических материалов.

Иногда разрушение стеклоплавильных сосудов связа­ но со случайными факторами; например, сосуд может быть разрушен при неосторожном механическом вмеша­ тельстве в работу системы загрузки стеклянных шари­ ков; стальной инструмент может также вызвать химиче­ ское разрушение платинового сплава или его деформа­ цию (за счет создаваемого давления), завершающуюся разрушением. При этом могут быть разрушены экран и сварные соединения в зоне перекрытия и боковых стенок. Нарушение электропитания или системы регулирования температуры стеклоплавильного сосуда может привести к локальному или местному перегреву и быстрому раз­ рушению металла, иногда с оплавлением. Это возможно и при нарушении работы водоснабжения холодильников медных шин. Перегрев токоподводов и торцевых стенок часто приводит к преждевременным разрушениям. Такой

254

же эффект наблюдается при плохом контакте токоподводов с водоохлаждаемыми медными холодильниками. Отрыв токоподводов, сильная деформация и разрушение торцевых стенок могут быть вызваны механическими на­ пряжениями, создаваемыми плохо закрепленными мед­ ными холодильниками. Механические напряжения могут возникать в отдельных элементах корпуса стеклопла­ вильного сосуда при низком качестве их монтажа.

При строгом соблюдении всех требований, предъяв­ ляемых к монтажу и обслуживанию стеклоплавильных сосудов, их разрушение под влиянием случайных факто­ ров может быть полностью исключено. Чем выше каче­ ство металла, из которого изготовлены стеклоплавиль­ ные сосуды, чем надежнее выполнены сварные соедине­ ния отдельных элементов, тем меньше вероятность их разрушения при одинаковом превышении установленных температур или механических напряжений. Практически всегда очень трудно определить причину разрушения стеклоплавильного сосуда; чаще всего можно только ка­ чественно характеризовать вид разрушения. Перегрев сосуда или воздействие повышенных механических на­ пряжений в процессе эксплуатации, как правило, вызы­ вает пластическую деформацию элементов, предшест­ вующую их разрушению. Наличие неблагородных ме­ таллов в стекле и керамике может привести, как указы­ валось выше, к разрушению платиновых сплавов (в ре­ зультате их взаимодействия), характеризующемуся наличием свищей и трещин. Кроме того, известно, что один и тот же сплав может характеризоваться различной жаропрочностью в зависимости от содержания в нем примесей и технологических режимов его получения и обработки. Сплав с пониженной жаропрочностью даже при отсутствии перегрева и механических перегрузок может сильнее деформироваться и быстрее разрушаться.

Поэтому нельзя однозначно утверждать, что дефор­ мация, предшествующая разрушению элементов являет­ ся только следствием перегрева или механических пере­ грузок при эксплуатации сосуда. Точно также при хими­ ческом разрушении платиновых сплавов нельзя исклю­ чать возможного действия вредных примесей, содержа­ щихся в самом сплаве, т. е. нельзя химическое разруше­ ние платинового сплава относить только к действию примесей, содержащихся в стекле или огнеупорной футо­

235

ровке. При определении причин разрушения стеклопла­ вильных сосудов, необходим всесторонний тщательный анализ и сопоставление вида и характера разрушений с состоянием металла на других участках сосуда, с кон­ кретными условиями его эксплуатации, состоянием огне­ упорной футеровки, видом блока стекла, состоянием хо­ лодильников и т. д. Кроме того, необходим тщательный аналитический контроль содержания и распределения

примесей в разных зонах само­ го платинового сплава, огне­ упорной футеровки и стекла. Только после этого можно до­ статочно надежно установить причину разрушения стекло­ плавильных сосудов. Элементы сосудов могут иметь сквозные и поверхностные ограниченные или разветвленные трещины, как правило, без каких-либо признаков, свидетельствующих о предварительңой деформа­ ции. Такое разрушение обычно называют бездеформационным или хрупким. Часто хрупкое разрушение наступает через несколько часов или десятков часов после ввода сосуда в эксплуатацию (рис. 108). Как

правило, такое разрушение не сопровождается образо­ ванием кратерообразных свищей.

При фрактографическом анализе изломов хрупко разрушенных участков наблюдается оплавление кристал­ литов (рис. 109); при металлографическом анализе ме­ талла в местах разрушений иногда можно наблюдать так называемую разнозернистость (рис. ПО). Условия эксплуатации таких сосудов и их состояние после демон­ тажа дают достаточные основания считать, что в процес­ се работы не могло быть местного и общего перегрева выше температуры начала плавления сплава; не было также взаимодействия металла сосуда с неблагородны­ ми элементами, случайно попадающими в огнеупорную футеровку или в расплав стекла и вызывающими обра­ зование структурной составляющей с температурой плав-

236

ления ниже температуры эксплуатации сосуда. Данные фрактографического анализа, указывающие на присут­ ствие относительно легкоплавкой составляющей (рис. 109), заставляют предположить, что такая легкоплавкая составляющая, приводящая к межзеренному разруше­ нию, может быть образована за счет микропримесей, содержащихся (даже в пределах ГОСТ) в исходном металле и неравномерно располагающихся по границам зерен. На рис. ПО видна микроструктура сплава

ПлПдРд-15—5 с неравномерным зерном. Разнозернистая структура характеризуется тем, что на отдельных участ­ ках появляется множество мелких зерен примерно оди­ накового размера, окруженных меньшим числом зерен значительно большей величины. Такая структура обра­ зуется при нагреве в условиях протекания собирательной рекристаллизации; вследствие торможения процесса на отдельных участках, где сконцентрированы микропрнмесн, происходит неравномерный рост зерен. Этот процесс иногда называют вторичной рекристаллизацией. Нерав­ номерный рост зерен (разнозерннстость) характерен для технически чистых металлов и нс наблюдается в метал­

237

лах высокой чистоты. Вторичная рекристаллизация часто является причиной брака при нагреве.

Разнозернистая структура может быть косвенным свидетельством наличия микропримесей в сплаве ПлПдРд-15—5. Имеются сведения, что в микрообъемах платиновых металлов и сплавов вследствие неравномер­ ного распределения неблагородных примесей их концен­ трация может достигать целых и даже десятков процен­ тов. Следовательно, при минимальном содержании при­ месей во всем объеме сплава (сотые и меньшие доли процента) в микроучастках их содержание может быть достаточно высоким; в результате этого возможно об­ разование легкоплавких составляющих и разрушение сплава.

Иногда рассматриваемое бездеформационное разру­ шение имеет вид удлиненных трещин; в других случаях трещины очень малы и даже невидимы невооруженным глазом. Природа таких «больших» и «малых» бездеформационных трещин чаще всего одинакова: оплавление примесной легкоплавкой составляющей. Последняя не только легкоплавка по сравнению с температурой плав­ ления самого сплава, но и малопластична. Малопластич­ ный металл более склонен к хрупкому разрушению, чем остальной металл, не содержащий примесей. Для разру­ шения металла необходимо действие напряжений. На микроучастке с малой пластичностью действующие на­ пряжения могут привести к образованию трещин. В усло­ виях эксплуатации сосуда всегда действуют напряжения (см. раздел 1). Поэтому вполне закономерно быстрое бездеформационное разрушение сплава, содержащего примесные элементы, загрязняющие металл. Хрупкое бездеформационное разрушение сплава, из которого из­ готовлен стеклоплавильный сосуд, возможно даже до ввода его в эксплуатацию, при хранении или транспорти­ ровании. В этом случае разрушение может быть связано с внутренними напряжениями, возникающими при изго­ товлении стеклоплавильных сосудов, при обработке и сварке. Эти напряжения взаимно уравновешиваются в объеме всего металла или его отдельных макроучастков. Внутренние напряжения в металле сохраняются и после завершения технологической операции; часто их называ­ ют остаточными. Остаточные напряжения могут быть ли­ тейные (в слитке или заготовке после литья), деформа-

238

ционные (в заготовке после ее обработки давлением), термические (после тепловой обработки), сварочные (по­ сле сварки, также связанной с тепловой обработкой) ит.д.

В процессе тепловой обработки металла происходит его расширение и сжатие, что вызывает изменение удель­ ного объема. Практически расширение и сжатие в раз­ ных точках сплава происходит не одновременно и не в одинаковой степени вследствие градиента температур по сечению заготовки, поэтому удельный объем иа разных участках изменяется также неодинаково; в результате этого возникают внутренние напряжения.

При обработке сплава давлением одни слои металла могут деформироваться больше или меньше других. На­ пример, при изгибе наружные слои металла могут быть растянуты больше, чем слои несколько удаленные от на­ ружной поверхности; внутренние же слои металла при изгибе будут сжиматься. В результате в заготовке возни­ кают взаимноуравновешивающиеся внутренние напряже­ ния разного знака: растягивающие и сжимающие. Такое же явление наблюдается при прокатке, когда отдельные слои металла деформируются больше других, но их де­ формация сдерживается менее деформирующимися слоя­ ми; благодаря этому возникают сжимающие напряже­ ния. В свою очередь относительно малодеформирующиеся слои металла будут удлиняться больше, чем положено в соответствии со степенью их обжатия, так как эти слои будут дополнительно вытягиваться под действием более сильно деформирующихся слоев; так возникают растяги­ вающие напряжения.

Остаточные напряжения имеют важное практическое значение в производстве стеклоплавильных сосудов. В реальных условиях даже при одной технологической операции могут возникать разные по происхождению ос­ таточные напряжения. Так, при ковке нагретого слитка платинового сплава кроме внутренних напряжений, воз­ никающих в результате неоднородной-пластической де­ формации, возможны термические напряжения из-за гра­ диента температур при охлаждении металла. Остаточные напряжения различные по своему происхождению, воз­ никающие при изготовлении стеклоплавильных сосудов могут складываться и давать картину сложнонапряжен­ ного состояния. Последствия такого состояния проявля­ ются при последующем транспортировании, хранении и

239

вильный сосуд начинает испытывать действие рабочих напряжений. Эти напряжения могут алгебраически скла­ дываться с остаточными напряжениями и соответственно (в зависимости от знака) усиливать или ослаблять их. Наиболее опасными считают растягивающие остаточные напряжения, которые, складываясь с внешними рабочи­ ми напряжениями, могут вызвать разрушение металла при меньших значениях последних. Особенно опасными являются объемные (трехосные) растягивающие напря­ жения, действующие в трех взаимноперпендикулярных направлениях; они создают исключительно благоприят­ ные условия для хрупкого разрушения. С увеличением сечения заготовки вероятность возникновения объемного напряжения повышается. Кроме того при увеличении толщины заготовки возрастает градиент температур в процессе тепловой обработки. Поэтому увеличение сече­ ния элементов стеклоплавильного сосуда всегда может быть связано с опасностью их хрупкого разрушения из-за остаточных напряжений. Такая опасность значительно возрастает, если сплав во всем объеме или в каких-то микроучастках малопластичен. В стеклоплавильном со­ суде, представляющем собой штампо-сварную конструк­ цию, имеются все необходимые условия для возникнове­ ния остаточных напряжений, соизмеримых с прочностью основного металла. Остаточные напряжения могут при­ вести к короблению и поводке (деформации) стеклопла­ вильных сосудов и изменению их размеров при изготов­ лении, транспортировании, хранении и эксплуатации, вследствие самопроизвольного, постепенного перераспре­ деления или внезапной разрядки остаточных напряже­ ний в отдельных участках, приводящей к нарушению си­ стемыих равновесия. При недостаточной пластичности металла разрядка напряжений может привести к хруп­ кому разрушению в макроили микрообъеме. Остаточ­ ные напряжения могут усиливать склонность металла к межкристаллитной коррозии. Вполне возможно, что рас­ тягивающие остаточные напряжения ускоряют атмосфер­ ную и силикатную коррозию платиновых сплавов при вводе стеклоплавильного сосуда в эксплуатацию.

Остаточные напряжения в стеклоплавильном сосуде могут возникать и перераспределяться не только в про­

240

цессе его изготовления, но и при испытании на герме­ тичность под давлением, а также при монтаже.

Контроль остаточных напряжений достаточно сдожен. Обычно их определяют тензометрическим или рентгено­ графическим методами. Последний позволяет оценить остаточные макронапряжения только в поверхностном слое; знак и распределение остаточных напряжений в объеме металла чаще всего остаются неизвестными. Учи­ тывая постоянно существующую потенциальную опас­ ность действия остаточных напряжений и возможность разрушения металла, стремятся снять остаточные напря­ жения полностью или частично. Для снятия напряжений металл отжигают. Разрядка остаточных напряжений мо­ жет происходить за счет пластической деформации без разрушения твердого тела, поэтому для снятия возни­ кающих внутренних напряжений необходимо вызвать пластическую деформацию, обусловленную сдвиговыми и диффузионными процессами. Деформация сдвига за­ висит от критического напряжения сдвига в плоскости скольжения. При нагреве критическое напряжение сдви­ га может уменьшаться более резко, чем остаточные на­ пряжения; выше определенной температуры напряжение сдвига становится достаточным для того, чтобы произо­ шел сдвиг в плоскости скольжения. Изменения остаточ­ ного напряжения и напряжения сдвига при нагреве по­ казаны на рис. 111.

С повышением температуры критическое напряжение сдвига непрерывно снижается и соответственно полнее должны сниматься остаточные напряжения. Степень сня­ тия остаточных напряжений зависит, главным образом, от температуры нагрева, а не от продолжительности вы­ держки. Снятие остаточных напряжений при нагреве происходит сравнительно быстро. Однако установить точно температуру начала этого процесса при сдвиговой деформации практически очень трудно, так как для раз­ ных кристаллографических плоскостей скольжения и для разных участков металла в одинаковых плоскостях тре­ буются различные напряжения сдвига.

Диффузионный процесс снятия остаточных напряже­ ний зависит и от температуры и от продолжительности выдержки. Отжиг для снятия остаточных напряжений можно совмещать с отжигом-рекристаллизацией или другими операциями термической обработки металлов.

241