Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego

Egzemplarz bezpłatny

www.iod.krakow.pl Instytut Odlewnictwa

Foundry Research Institute

Inst

ytu

t O

dle

wn

ictw

aF

ou

nd

ry R

ese

arc

h I

nsti

tute

Now

ocz

esn

e t

worz

yw

a o

dporn

e n

a z

męcz

enie

cie

pln

e

Nowoczesne tworzywa odporne na zmęczenie cieplne

Część I. Zagadnienia ogólne

ISBN 978-83-88770-81-4

Nowoczesne tworzywa odporne na zmęczenie cieplneCz. I. Zagadnienia ogólne

Pod redakcją Andrzeja Pytla

Instytut Odlewnictwa

Kraków 2012

Recenzent: prof.drhab.inż.EdwardGuzik AkademiaGórniczo-Hutnicza,WydziałOdlewnictwa

Opracowanieredakcyjne:inż.MartaKonieczna,mgrAnnaSamek-Bugno

Składkomputerowy: lic.AgnieszkaFiutowska

Projektokładki:mgrinż.JanWitkowski

PublikacjawspółfinansowanaześrodkówUniiEuropejskiejwramachEuropejskiegoFunduszuSpołecznego

©CopyrightbyInstytutOdlewnictwa

Kraków 2012

ISBN 978-83-88770-81-4

WydanieI

Wydawca:

Instytut Odlewnictwa

ul.Zakopiańska73

30-418Kraków

Druk i oprawa:

Instytut Odlewnictwa

Kraków 2012

| 3

WSTĘP

Prezentowana monografia przedstawia omówienie wyników fragmentu realizowanego projektu współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka 2007–2013 „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne”. Przedstawiono w niej ogólne założenia projektu, a także opis poszczególnych realizowanych zadań. Uwzględniono zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie. Zaprezentowano ogólną charakterystykę żeliwa z grafitem wermikularnym jako nowoczesnego materiału konstrukcyjnego odpornego na zmęczenie cieplne, które jest przedmiotem badań w projekcie. Podano charakterystyczne właściwości żeliwa oraz przykłady zastosowania, szczególnie w przemyśle motoryzacyjnym, hutniczym i rolniczym. Na przykładzie masywnych odlewów (płyty podkokilowe używane do odlewania kokil miedzianych) wykonano badania – w odlewni u producenta płyt – rzeczywistego rozkładu temperatury w czasie ich krzepnięcia, instalując w odpowiednich miejscach formy piaskowej termoelementy. Rzeczywiste dane temperatury wykorzystano do analizy numerycznej płyt odlanych z żeliwa szarego z grafitem płatkowym i wermikularnego. Korzystając z możliwości programu MAGMAIron prognozowano końcowe właściwości odlewu na podstawie zadanych parametrów brzegowych. Kinetyczny model wzrostu i tworzenia się struktury w skali mikro pozwolił uwzględnić lokalne właściwości stopu, w tym zmiany termofizyczne, szczególnie na granicy frontu krystalizacji w wyniku segregacji pierwiastków, a także skład stopu, sposób modyfikowania, przemiany fazowe w stanie stałym, wpływ zawartości krzemu na segregację, jak też wpływ głównych składników stopowych na sposób krystalizacji. Podobnie wykonano badania rozkładu rzeczywistej temperatury w pracującej masywnej płycie podczas zalewania kokil miedzianych w hucie. Płytę przygotowano w odpowiedni sposób wiercąc w niej w odpowiednich odległościach otwory, montując termoelementy i rejestrując rzeczywiste pomiary rozkładu temperatury w czasie jej pracy. Przeprowadzone badania posłużyły do komputerowej symulacji rzeczywistych warunków pracy w celu określenia pola naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach zmian temperatury. Odrębne zagadnienia dotyczą aparatury badawczej stosowanej w technologii wytopów żeliwa. Omówiono zastosowanie nowoczesnej aparatury do wykonywania badań w ciekłym metalu, w tym: system pomiaru zawartości wodoru i tlenu oraz analizy termicznej. Podano przykłady oceny stanu metalurgicznego żeliwa, szczególnie z grafitem wermikularnym. Z zagadnień technologicznych, które należy tutaj wymienić, omawiane są badania pokryć na formy i rdzenie mające zastosowanie przy wykonywaniu odlewów ze stopów miedzi w kokilach żeliwnych. Priorytetowym zagadnieniem przedstawionym w monografii jest opracowanie, na podstawie założeń projektowych Instytutu Odlewnictwa, urządzenia do badania zmęczenia cieplnego stopów Fe-C, a głównie różnych odmian żeliwa. Zagadnienia przedstawione w I części monografii, traktujące o innowacyjnym podejściu do zagadnienia opracowywania technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zużycie w warunkach zmęczenia cieplnego mogą być interesujące dla odlewników. Ponieważ ta monografia nie odzwierciedla całości badań prowadzonych w projekcie, w II jej części przewiduje się analityczne ujęcie wpływu składu chemicznego, zastosowanych dodatków stopowych, właściwości fizycznych i mechanicznych dla dwóch serii żeliwa z grafitem wermikularnym, w odniesieniu do przeprowadzonych badań odporności na zmęczenie cieplne na wykonanym i opisanym urządzeniu.

| 5

Przedstawienie ogólnych założeń projektu

Presentation of the overall objectives of the project

Wprowadzenie

Zadaniem projektu „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne’’ jest opracowanie innowacyjnych tworzyw odlewniczych na osnowie żelaza z węglem o założonej mikrostrukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi i o podwyższonych właściwościach eksploatacyjnych w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Projekt obejmuje następujące prace badawcze i aplikacyjne:• Opracowanie nowoczesnego sposobu identyfikacji parametrów brzegowych

i dynamiki cyklicznych zmian temperatury oraz stanu naprężeń w masywnych odlewach będących w ruchu.

• Komputerowa symulacja rzeczywistych warunków pracy w celu określenia pola naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Ocena wpływu konstrukcji odlewu na naprężenia powstające podczas eksploatacji.

Streszczenie

ZaprezentowanoogólnezałożeniaprojekturealizowanegoprzezInstytutOdlewnictwa wKrakowiewramachProgramuOperacyjnegoInnowacyjnaGospodarka, lata2007–2013Priorytet1.BadaniairozwójnowoczesnejtechnologiiDziałanie1.3.WsparcieprojektówB+Rnarzeczprzedsiębiorcówrealizowanychprzezjednostkinaukowe,któregocelemjestopracowanieinnowacyjnychtworzywodlewniczychnaosnowieżelazazwęglemozałożonejmikrostrukturze,modyfikowanejpierwiastkamistopowymiiopodwyższonychwłaściwościacheksploatacyjnychwwarunkachcyklicznychzmiantemperatury.Przedstawionotematykęizakrespracbadawczychzaplanowanychwprojekcieorazprzewidywaneefektyzwykorzystaniaopracowanychtechnologii wprzemyśleodlewniczym,acozatymidziewprzemyślemetalurgicznym,motoryzacyjnym,szklarskimorazwieluinnych,wktórychstosowanesąodlewynarażonenazmęczeniecieplne.

Słowakluczowe:odlew,stopyżelazazwęglem,zmęczeniecieplne,projektbadawczo-rozwojowy

Abstract

GeneralassumptionsaregivenforaprojectimplementedbytheFoundryResearchInstituteinCracowundertheOperationalProgrammeInnovativeEconomy2007–2013,Priority1ResearchanddevelopmentofnewtechnologiesMeasure1.3.SupportforR&Dprojectsbenefittingentrepreneursandimplementedbyresearchcentres,theaimofwhichistodevelopinnovativeiron-carboncastingmaterialsofcontrolledmicrostructure,modifiedwithalloyingelementsandcharacterisedbyincreasedoperatingpropertiesundercyclictemperaturechanges.Thesubjectmatterandscopeofresearchplannedintheprojectarepresented,includingtheanticipatedeffectsoftheuseofthenewlydevelopedtechnologyinthefoundryindustry,inthesteel,automotiveandglassindustries,andalsoinnumerousothersectorsofindustry,whichusecastingsexposedtothermalfatigue.

Keywords:casting,iron-carbonalloys,thermalfatigue,researchanddevelopmentproject

A. Pytel, J. Turzyński

6 |

• Badanie fizykochemicznego oddziaływania układu ciekły metal – pokrycie – forma metalowa celem optymalizacji i doboru materiału formy, pokrycia ochronno-izolacyjnego oraz wyjaśnienie zjawisk oddziaływania ciekłego stopu z materiałami form trwałych.

• Badanie wpływu składu chemicznego, mikrododatków stopowych, obróbki pozapiecowej na strukturę i właściwości wybranych stopów.

• Optymalizacja składu chemicznego wybranych stopów z zastosowaniem matematycznego modelowania, statystycznych metod planowania i analizy eksperymentu.

• Opracowanie technologii i parametrów obróbki cieplnej stopów, zapewniającej uzyskiwanie odlewów o podwyższonej odporności na zużycie, przeznaczonych do pracy w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Przyjęte rozwiązania techniczne zmierzają poprzez realizację poszczególnych zadań do osiągnięcia sukcesu w postaci opracowania nowoczesnej technologii wytwarzania tworzyw odlewniczych odpornych na szoki (wstrząsy) termiczne z możliwością zastosowania na różne odlewy.

Uzasadnienie projektu

Projekt ma na celu opracowanie nowoczesnych tworzyw odlewniczych służących do wdrożenia innowacyjnych technologii przyczyniających się do zwiększenia konkurencyjności kluczowych gałęzi gospodarki krajowej o strategicznym znaczeniu dla zrównoważonego rozwoju kraju i branży. Z przeprowadzonej analizy popytu wynika zapotrzebowanie na zastosowanie pozytywnych wyników projektu w przemyśle. Badanie rynku zostało przeprowadzone zarówno wśród kadry kierowniczej najważniejszych odlewni, jak i przedstawicieli środowiska naukowo-badawczego pod względem badania strategicznych technologii do wdrożenia w produkcji oraz kierunków prac badawczo-rozwojowych. O zapotrzebowaniu na wyniki projektu świadczą dołączone listy intencyjne przedsiębiorstw. Tematyka projektu wynika z analizy studium otoczenia społeczno-gospodarczego w Polsce i na świecie w oparciu o strategiczne kierunki przeprowadzonych projektów foresight, trendów globalizacji w sektorach odbiorców odlewów (motoryzacja, metalurgia – w tym sektor Polskiej Miedzi, przemysł maszynowy) i odlewnictwa.

Projekt jest zbieżny z polityką sektorową oraz z programami ramowymi na rzecz konkurencyjności i innowacji UE oraz z założeniami polityki horyzontalneji UE, a jego temat ściśle koreluje z celami Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Ze względu na kluczowe znaczenie projektu dla rozwoju technologii odlewniczych, jego realizacja jest ściśle powiązana z programami badawczymi i inwestycyjnymi Wnioskodawcy projektu.

Stan wiedzy w dziedzinie nauki objętej tematyką projektu i identyfikacja kluczowych potrzeb badawczych

Jednym ze wskaźników rozwoju gospodarczego i zmian strukturalnych w przemyśle odlewniczym jest udział nowoczesnych, wysoko przetworzonych tworzyw odlewniczych i energooszczędnych technologii. Powszechnie występujące zjawisko zmęczenia cieplnego odlewanych detali maszyn i urządzeń, pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury, w znacznym stopniu ogranicza właściwości eksploatacyjne tradycyjnie stosowanych materiałów w kluczowych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle metalurgicznym wytwarzania miedzi.

Opracowanie innowacyjnych materiałów odlewniczych o sterowanej strukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi i zwiększonej odporności na zmęczenie cieplne w warunkach cyklicznych zmian temperatury może zmniejszyć koszty eksploatacji szeregu

Przedstawienie ogólnych założeń projektu

| 7

urządzeń pracujących w przemyśle metalurgicznym, motoryzacyjnym, szklarskim i wielu innych.

W praktyce inżynierskiej przez termin „zmęczenie cieplne” rozumie się proces powstawania i rozwoju uszkodzeń w materiałach części maszyn czy konstrukcji pod wpływem cyklicznych lub okresowych zmian temperatury. Naprężenia cieplne cykliczne zależą od zakresu zmian temperatury lub od częstości odkształcenia. W większości przypadków badania zmęczenia cieplnego przeprowadza się w zakresie małej liczby cykli (niskocyklowe) i dotyczą one zakresu dużych naprężeń cieplnych zależnych od cyklicznych zmian odkształceń niesprężystych w odróżnieniu od zmęczenia cieplnego wysokocyklowego występującego w zakresie sprężystym.

Wiele przeprowadzonych w Instytucie Odlewnictwa badań wykazało, że w żeliwie o odpowiedniej zawartości wydzieleń grafitu, dodatki stopowe decydująco wpływają na strukturę i temperaturę przemiany eutektoidalnej i w związku z tym wpływają na odporność elementów odlewanych z tych tworzyw w warunkach zmęczenia cieplnego. Analizując dostępne materiały i publikacje, można stwierdzić, że zjawisko zmęczenia cieplnego w warunkach cyklicznych zmian temperatury jest również przedmiotem badań w ośrodkach naukowo-badawczych krajów rozwiniętych. Jednocześnie stosunek wielkości produkcji odlewów z żeliwa szarego do produkcji odlewów z żeliwa o wysokim stopniu przetworzenia technologicznego (w tym zwłaszcza żeliwa poddanego hartowaniu z przemianą izotermiczną ADI – AustemperedDuctileIron) jest wskaźnikiem określającym konkurencyjność pomiędzy tymi tworzywami.

Zastosowanie poprawnie dobranych stopów żelaza z węglem, o założonej mikostrukturze i wysokim stopniu przetworzenia technologicznego (obróbka pozapiecowa, cieplna), ze względu na korzystny współczynnik wytrzymałość / ciężar właściwy daje możliwości zmniejszenia masy odlewanych detali maszyn i urządzeń.

Wynika to z tendencji zmniejszania kosztów poprzez zastosowanie lekkich konstrukcji szczególnie w przemyśle środków transportu, gdzie ograniczenie zużycia paliwa jest podyktowane nie tylko względami ekonomicznymi, ale i ekologicznymi. Już obecnie w wielu konstrukcjach następuje zamiana staliwa na żeliwo ADI, które dzięki dobrym właściwościom odlewniczym i mechanicznym mogą być wykorzystywane w sposób bardzo efektywny.

Rozwój stopów na osnowie żelaza z węglem będzie w najbliższym czasie przebiegał w kierunku:

• optymalizacji właściwości mechanicznych i użytkowych, głównie odporności zmęczeniowej i korozyjnej w normalnych i podwyższonych temperaturach,

• powtórnego ich wykorzystania na drodze recyklingu z uwagi na ochronę środowiska,• optymalizacji oddziaływań pomiędzy odlewem i technologią odlewniczą.

Spełnienie wymagań rynku producentów odlewów, co do wielkości i jakości produkcji, poza wyposażeniem odlewni w odpowiednie maszyny i urządzenia, wymaga stosowania odpowiednich technik produkcyjnych i technologicznych z zachowaniem wymogów ochrony środowiska w oparciu o normy i dyrektywy zgodne ze standardami światowymi i europejskimi. W tym zakresie przewidywany do realizacji projekt obejmuje wdrożenie technologii i produkcji odlewów zgodnie z wymaganiami norm, m.in. materiałowych charakteryzujących właściwości stopów i odlewów: ASTM oraz PN-EN, a także norm ISO serii 9000, określonych standardami dla poszczególnych branż przemysłowych.

Realizowany projekt pozwoli na usystematyzowanie danych procesu produkcyjnego, co powinno przyczynić się do zwiększenia jakości odlewów ze stopów Fe-C w krajowych odlewniach.

A. Pytel, J. Turzyński

8 |

Opis techniczny projektu

Zadaniem projektu jest opracowanie innowacyjnych tworzyw odlewniczych na osnowie żelaza z węglem o sterowanej strukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi i podwyższonych właściwościach eksploatacyjnych w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Skonsolidowanie grupy specjalistów oraz zestaw unikalnej aparatury pozwoli stworzyć bazę do prowadzenia systematycznych prac badawczych zmierzających w kierunku opracowania i wdrożenia nowoczesnych tworzyw odlewniczych, optymalnie dobranych do warunków eksploatacji. W badaniach stosuje się innowacyjne metody określenia rzeczywistych parametrów brzegowych i dynamiki procesu cyklicznych zmian temperatury oraz stanu naprężeń w dużych obiektach będących w ruchu. Ważnym etapem realizacji projektu są badania fizykochemicznego oddziaływania układu ciekły metal – pokrycie – forma metalowa.

Wykorzystując jedyne w Polsce i nieliczne na świecie urządzenie do kompleksowych wysokotemperaturowych badań właściwości materiałów w stanie ciekłym i specyfiki ich oddziaływania w kontakcie z ciałami stałymi (zwilżalność, napięcie powierzchniowe, gęstość cieczy metalicznych, stabilność i reaktywność w układzie metal/ceramika), będzie możliwość optymalnego doboru efektywnych pokryć izolacyjnych, zmniejszających fizykochemiczne oddziaływanie ciekłego metalu.

Masywne odlewy o wartości od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy złotych stosowane w przemyśle metalurgii miedzi, stalowniczym, szklarskim i motoryzacyjnym, pracujące w warunkach szoku termicznego ulegają przedwczesnej destrukcji, aż do całkowitego zniszczenia, powodując wymierne straty wynikające z wysokiej ceny odlewów, jak i z przerw remontowych. Ze względu na zakres występującego zjawiska, jak i znaczenie dla szeregu gałęzi przemysłu, nowoczesnymi materiałami o podwyższonych właściwościach eksploatacyjnych są zainteresowani zarówno odbiorcy masywnych odlewów (zmniejszenie kosztów eksploatacji), jak i producenci odlewów (podwyższenie poziomu technologicznego, zwiększenie konkurencyjności oraz wyższe ceny odlewów). Charakterystyczne przykłady najczęstszych wad odlewów przedstawiono na rysunkach 1–6.

Przedstawione na rysunkach 1, 2 i 4 pęknięcia na wskroś płyty podkokilowej o masie ok. 4 ton, kadzi 18 ton i wlewnicy o masie 10 ton są częstym powodem wycofywania odlewów z eksploatacji. Koszt wykonania takich odlewów wynosi od 10 do 200 tys. PLN.

Efektem końcowym projektu będzie przygotowana do wdrożenia nowoczesna technologia wytwarzania innowacyjnych tworzyw odlewniczych na osnowie żelaza z węglem o sterowanej strukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi i podwyższonych właściwościach eksploatacyjnych w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Rys.1.Pęknięciepojedynczenawskrośpłytypodkokilowejomasieok.4tondoodlewaniaformanodowychwKGHM(stanpowykonaniu20odlewów)

Przedstawienie ogólnych założeń projektu

| 9

Rys.2.Pęknięciawylewówisiatkapęknięćkadzi omasie18ton

Rys.3.Pęknięcieściankikadziomasie18ton

Rys.4.Pęknięciadnanacałymobwodzieodlewustaliwnejkadzimetalurgicznejomasie18ton

Rys.5.Pęknięciewlewnicydoodlewaniastaliomasieok.1tony

A. Pytel, J. Turzyński

10 |

Rys.6.Pęknięciatulejekomasieok.100g

Zadania badawcze projektu będącego w realizacji przebiegają wg planu podanego we wprowadzeniu.

Gwarancją wykonania poszczególnych zadań jest między innymi:• Skonsolidowanie grupy specjalistów oraz zestaw unikalnej aparatury, co stanowi

podstawę do prowadzenia systematycznych prac badawczych zmierzających w kierunku opracowania i wdrożenia nowoczesnych tworzyw odlewniczych optymalnie dobranych do warunków eksploatacji, a także nowoczesne podejście do rozwiązania praktycznych problemów przy stosowaniu:

- innowacyjnego sposobu określenia parametrów brzegowych i dynamiki cyklicznych zmian temperatury oraz stanu naprężeń w dużych obiektach będących w ruchu,

- wyjaśnienie zjawisk fizykochemicznego oddziaływania układu ciekły metal – pokrycie – forma metalowa,

- wyjaśnienie wpływu składu chemicznego (podeutektyczny, nadeutektyczny), mikrododatków stopowych, obróbki pozapiecowej na strukturę i właściwości wybranych stopów oraz poznanie mechanizmów ich destrukcji w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

W wyniku realizacji projektu zostaną opracowane:• dokumentacja badawcza nowoczesnej technologii wytwarzania innowacyjnych

stopów na osnowie żelaza z węglem o sterowanej strukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi i podwyższonych właściwościach eksploatacyjnych w warunkach cyklicznych zmian temperatury,

• procedury nowoczesnego sposobu określenia parametrów brzegowych i dynamiki cyklicznych zmian temperatury oraz stanu naprężeń w dużych obiektach będących w ruchu,

• prototypowe stanowisko do badania destrukcji stopów na osnowie żelaza z węglem w warunkach cyklicznych zmian temperatury,

• baza statycznych i dynamicznych parametrów eksploatacji odlewanych, masywnych detali urządzeń krajowego przemysłu metalurgii miedzi, jako podstawa realizacji celowych projektów wdrożeniowych.

Przedstawienie ogólnych założeń projektu

| 11

Opis poszczególnych zadań badawczych

Zadanie 1:

Opracowanie nowoczesnego sposobu identyfikacji parametrów brzegowych i dynamiki cyklicznych zmian temperatury oraz stanu naprężeń w masywnych odlewach będących w ruchu

Jednym z podstawowych zadań niniejszego projektu jest identyfikacja istotnych parametrów opisujących warunki brzegowe i dynamikę zmian temperatury i naprężeń powstających podczas eksploatacji w wybranych masywnych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Dane powyższe są interpolowane do warunków laboratoryjnych i stanowią podstawę realizacji następnych zadań badawczych. Prawidłowość identyfikacji i inwentaryzacji tych parametrów w istotnym stopniu rzutuje na adekwatność:

• wyników badań zmęczeniowych próbek materiałów odlewniczych, na prototypowym urządzeniu laboratoryjnym, podczas cyklicznych zmian temperatury w warunkach intensywnego nagrzewania i chłodzenia,

• matematycznych modeli planu eksperymentu,• wirtualnych modeli poddawanych symulacji komputerowej.

Identyfikacja i rejestracja powyższych parametrów była przedmiotem badań w odlewach, takich jak:

• kadzie w procesie metalurgicznym wytwarzania miedzi o pojemności 8 m3 i masie 18 ton do przewozu miedzi blister, pomiędzy piecem szybowym a obrotowym,

• płyty podkokilowe o masie 6 ton do odlewania form anodowych z miedzi, zainstalowane w karuzelowej linii odlewniczej,

• formy anodowe o masie do 5 ton do wytwarzania odlewów anod miedzianych do elektrolizy miedzi, zainstalowane w automatycznej i wielopozycyjnej linii odlewniczej.

Ze względu na specyfikę eksploatacji badanych odlewów autorzy stosowali niestandardowe metody identyfikacji parametrów brzegowych oraz izoterm pól temperaturowych dużych powierzchni, w celu określenia miejscowego przegrzania wynikającego z procedur technologicznych, właściwości stosowanych obecnie materiałów izolacyjnych, wad lub konstrukcji odlewu. Dlatego w ramach realizacji zadania opracowano innowacyjny sposób określenia parametrów brzegowych i dynamiki cyklicznych zmian temperatury oraz stanu naprężeń w dużych obiektach będących w ruchu. Według założeń wstępnej koncepcji, autorzy zastosowali nowoczesne urządzenia i oprogramowanie, jak np. termowizyjny system pomiarowy o wysokiej rozdzielczości i wysokim zakresie temperaturowym oraz oprogramowanie komputerowe umożliwiające analizę, wizualizację i interpretację wyników pomiarowych z eksploatacji wybranych masywnych odlewów.

W ramach projektu w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie zaprojektowano nowoczesne urządzenie do badań zmęczenia cieplnego stopów żelaza, a wykonano je w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w Warszawie.

Pracą urządzenia (nagrzewanie, chłodzenie, pomiar, rejestracja) steruje układ z komputerem – jako główna jednostka sterownicza. W związku z tym opracowane będą odpowiednie interfejsy i programy. W porównaniu do istniejących rozwiązań urządzeń do badań zmęczenia cieplnego w warunkach cyklicznych zmian temperatury, zaprojektowane prototypowe urządzenie wykazuje wiele cech innowacyjnych, z których jako najważniejsze wymienić można następujące:

• zastosowanie komputera jako jednostki sterującej, dającej możliwość przetwarzania wyników w trybie „on line”, co podnosi uniwersalność urządzenia,

A. Pytel, J. Turzyński

12 |

• zastosowanie sterowania cyklem nagrzewanie – studzenie próbki zgodnie z nastawionym programem, przy czym zapewnione będą możliwości utrzymywania temperatury przez określony czas, uzyskiwanie określonej temperatury w zadanym czasie oraz możliwości stosowania zmiennej temperatury w czasie trwania próby cyklicznej i dzięki odpowiedniej konstrukcji urządzenia, zapewniona jest uniwersalność,

• stosowania określonego naprężenia ściskającego i rozciągającego, przy czym:a. próbka może być mocowana jednostronnie, co w razie potrzeby umożliwia

próbę z eliminacją oddziaływania naprężeń zewnętrznych (bez hamowania zmian dylatacyjnych),

b. próbka może być mocowana dwustronnie, co jest zgodne z przyjętym modelem pracy form metalowych zalewanych cyklicznie, tj. w sytuacji hamowania zmian wymiarowych warstwy pracującej formy przez warstwy głębiej położone, przy czym istnieje możliwość wprowadzania zadanych naprężeń wstępnych.

Przewidziano możliwość równoczesnego pomiaru zmian oporności elektrycznej w czasie cyklu pomiarowego.

Zadanie 2:

Zastosowanie nowoczesnych metod komputerowej symulacji rzeczywistych warunków pracy w celu określenia pola naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Ocena wpływu konstrukcji odlewu na naprężenia powstające podczas eksploatacji

2.1. Analiza numeryczna zmian wymiarowych materiałów w warunkach cyklicznych zmian temperatury

Celem badawczym zadania jest uzyskanie wstępnych danych stanowiących podstawę projektowania stanowiska do badania zmęczenia cieplnego w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

W ramach niniejszego zadania określono przewidywalne granice zmian wymiarowych dla projektowanych próbek wytypowanych stopów na osnowie żelaza z węglem. Pozwoliło to na prawidłowe dobranie modułu pomiarowego dynamiki naprężeń powstających w procesie cyklicznych zmian temperatury. Autorzy, opracowując koncepcję prototypowego stanowiska badawczego, zakładali możliwość symulowania początkowego stanu naprężeń na podstawie danych uzyskanych podczas analizy warunków brzegowych oraz izoterm pól temperaturowych eksploatacji wybranych masywnych odlewów, która zostanie wykonana w ramach zadania nr 1. Analiza numeryczna rozkładu naprężeń przeprowadzona została z wykorzystaniem modułu ABAQUS/Explicit. Wygenerowany w edytorze graficznym model 3D próbki do badania zmęczenia cieplnego wczytany będzie do modułu ABAQUS/CAE, w którym założone będą właściwości wytrzymałościowe analizowanych stopów na osnowie żelaza z węglem.

2.2. Analiza numeryczna rozkładu naprężeń w masywnych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury

Celem badawczym zadania jest opracowanie bazy danych stanu naprężeń wybranych masywnych odlewów pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Analizę numeryczną rozkładu naprężeń przeprowadzono z wykorzystaniem modułu ABAQUS/Explicit. Wygenerowany w edytorze graficznym model 3D wybranych masywnych odlewów wczytany do modułu ABAQUS/CAE, w którym założono właściwości wytrzymałościowe aktualnie stosowanego tworzywa. Obserwując etapy dynamicznego

Przedstawienie ogólnych założeń projektu

| 13

rozwoju istotnych parametrów cyklicznych zmian temperatury, można będzie zauważyć początkowy rozwój pola naprężeń oraz etapy propagacji.

Zadanie 3:

Badanie fizykochemicznego oddziaływania układu ciekły metal – pokrycie – forma metalowa dla optymalizacji i doboru materiału formy, pokrycia ochronno-izolacyjnego oraz wyjaśnienia zjawisk oddziaływania ciekłego stopu z materiałami form trwałych

Celem badań jest określenie wpływu różnych czynników na zwilżalność i reaktywność ciekłych stopów oraz specyfikę ich oddziaływania w kontakcie z wybranymi materiałami stosowanymi na formy metalowe i narażonych nie tylko na agresywne działanie ciekłych metali pracujących w warunkach naprężeń i cyklicznych zmian temperatury. Badania fizykochemicznego oddziaływania układu ciekły metal – pokrycie – forma metalowa mają na celu nie tylko wyjaśnienie naukowych aspektów omawianego zagadnienia (np. wpływu temperatury oraz składu chemicznego i rodzaju pokrycia izolacyjnego), ale przede wszystkim stanowią one istotną informacje o charakterze praktycznym (tj. w jaki sposób zachowują się wybrane tworzywa narażone na agresywne działanie wysokotemperaturowych cieczy metalicznych oraz cyklicznej zmiany temperatury).

Planowany cykl badań pozwoli na wytypowanie materiałów form, charakteryzujących się maksymalną stabilnością termiczną i minimalną reaktywnością w kontakcie z wytypowanymi stopami.

Badania te są wykonywane w Centrum Badań Wysokotemperaturowych. Stosując różne procedury nagrzewania i sposoby kontaktu kropli metalu z podłożem

wraz z oceną składu chemicznego powierzchni podłoża, przed i po oddziaływaniu, za pomocą zamontowanego w kompleksie spektrometru Augera, jak również stosując ocenę składu chemicznego atmosfery w komorze próżniowej bezpośrednio podczas próby wysokotemperaturowej, można uzyskać kompleksową informację na temat zjawisk zachodzących w wybranym układzie wraz z identyfikacją powstających produktów reakcji oraz wyjaśnieniem przyczyn nadmiernej reaktywności badanych tworzyw i pokryć. Dodatkowo przeprowadza się badania wpływu temperatury na rozszerzalność i przewodnictwo cieplne wybranych tworzyw.

Zadanie 4:

Badanie wpływu składu chemicznego, mikrododatków stopowych, obróbki pozapiecowej na strukturę i właściwości wybranych stopów

Celem naukowym tego zadania badawczego jest stworzenie jednolitej i dającej szerokie możliwości wdrożeniowe bazy danych doświadczalnych innowacyjnych stopów żelaza z węglem, która stanowiłaby podstawę do opracowywania nowych optymalnych modeli konstytutywnych zachowania się materiałów w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Przedmiotem badań są tworzywa odlewnicze na osnowie żelaza z węglem o sterowanej strukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi, w których zabiegi te powinny podwyższyć właściwości eksploatacyjne w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Dla jednoznacznej oceny wpływu składu chemicznego (podeutektyczny, nadeutektyczny), mikrododatków, struktury i rodzaju tworzywa zakłada się dla stopów identyczny skład chemiczny wyjściowy i strukturę oraz identyczne zakresy pierwiastków stopowych, zmieniające strukturę zgodnie z planem eksperymentu. Materiał badawczy pracy stanowią odlane wlewki próbne, z których wykonuje się próbki do badań zmęczenia

A. Pytel, J. Turzyński

14 |

cieplnego, wytrzymałości w temperaturze otoczenia i podwyższonej, twardości, dylatacji, udarności, przewodności cieplnej i mikrostruktury.

Podstawowe znaczenie będą miały badania mechanizmu zmęczenia cieplnego tworzyw w warunkach cyklicznych zmian temperatury wykonane na specjalnie skonstruowanym do tego celu prototypowym urządzeniu i zaprojektowanej próbce do tego urządzenia. Innowacyjne podejście do zagadnienia przeprowadzenia badań na różnych tworzywach o tym samym składzie chemicznym i w tych samych warunkach prowadzenia wytopu oraz w tych samych obiektywnych warunkach przeprowadzenia badań zmęczenia cieplnego (w układzie: nagrzewanie próbek – chłodzenie – nagrzewanie), a także zastosowanie nowoczesnych metod komputerowej symulacji rzeczywistych warunków pracy w celu określenia pola naprężeń oraz zastosowanie statystycznych metod planowania eksperymentu do optymalizacji składu wybranych stopów odróżnia proponowaną pracę jako innowacyjną w stosunku od opisanych wybiórczo badań w literaturze technicznej.

4.1. Badania strukturalne w zakresie mikroskopii optycznej i elektronowej mikroskopii skaningowej

W obszarze badań strukturalnych, wykonuje się badania zarówno w zakresie mikroskopii optycznej, jak i elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM). Diagnostyka metalograficzna poprzedzona badaniami twardości poszczególnych składników/faz będzie służyć określeniu wpływu czynników technologicznych w procesie kształtowania struktury badanych stopów, poprzez identyfikację poszczególnych faz/składników. Badania strukturalne są wykonywane zarówno przed badaniem wybranych właściwości użytkowych, jak i po przeprowadzeniu takich badań, w celu określenia zmian strukturalnych (degradacja materiałowa) zachodzących podczas obciążeń mechanicznych.

Innowacyjne stopy na osnowie żelaza z węglem otrzymane w wyniku zaawansowanych technologii zostaną poddane również szczegółowym badaniom strukturalnym w zakresie skaningowej mikroskopii elektronowej. Realizacja badań obejmuje wymienione dalej podstawowe obszary badawcze:

• Mikroanalizę rentgenowską w celu określenia składu stechiometrycznego występujących w nowych stopach elementów strukturalnych (faz, związków międzymetalowych, wtrąceń niemetalowych).

• Mikroanalizę rentgenowską nowych stopów z zamiarem określenia stopnia rozkładu zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych i modyfikujących, decydujących o ostatecznym składzie chemicznym i fazowym stopu.

• Badania fraktograficzne realizowane po wykonanych badaniach mechanicznych w celu dokonania klasyfikacji powstałych przełomów oraz mechanizmów zjawisk degradacji strukturalnej zachodzącej w wyniku zastosowanych obciążeń mechanicznych.

4.2. Określenie parametrów wytrzymałościowych w warunkach gradientu temperatury i złożonego stanu naprężenia

Zasadnicze badania wybranych stopów żelaza z węglem są poprzedzone badaniami wstępnymi w celu ustalenia początkowych właściwości mechanicznych. Badania te wykonywane są w temperaturze pokojowej oraz w temperaturze podwyższonej.

Efektem badań wstępnych będzie między innymi określenie:• modułu sprężystości,• granicy wytrzymałości doraźnej,• powierzchni plastyczności,• składu chemicznego,• wielkości ziarna.

Przedstawienie ogólnych założeń projektu

| 15

Zadanie 5:

Optymalizacja składu chemicznego wybranych stopów z zastosowaniem matematycznego modelowania, statystycznych metod planowania i analizy eksperymentu

Celem zadania badawczego jest opracowanie matematycznych modeli opisujących odporność na zmęczenie cieplne badanych stopów na osnowie żelaza z węglem w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Według opracowanych założeń projektu badawczo-rozwojowego, na każdym etapie jego realizacji autorzy korzystać będą z nowoczesnych narzędzi zarządzania projektem (program STATISTICA). W opracowanym programie badań niniejszej pracy zdecydowano się na analizę szeregu matematycznych planów doświadczeń. Planowanie to jest podstawowym składnikiem teorii doświadczeń (teorii eksperymentu), która stanowi teoretyczną podstawę metodyki badań doświadczalnych, prowadzącą do jednoznacznej oceny wyników badań i ustalenia optymalnych warunków procesu technologicznego. Plany doświadczeń ułatwiają w procesie badawczym uzyskanie doświadczalnej informacji o badanym obiekcie. Wyrażona jest ona w postaci aproksymującej funkcji obiektu badań o znanej i świadomie ustalonej niedokładności. Jednocześnie uzyskuje się to przy liczbie pomiarów niezbędnych do realizacji przyjętego planu, ograniczonej do minimum, co w sposób decydujący zmniejsza nakłady i czas badań doświadczalnych. Końcowym efektem zrealizowania planu eksperymentu jest wielomian aproksymujący, podający zależność między wielkością badaną a wielkościami wejściowymi. Wielomian taki pozwala na wyznaczenie wykresów dwu- lub trójwymiarowych stanowiących graficzny obraz uzyskanej funkcji. Ponieważ zakres prac w projekcie jest bardzo obszerny, wybrano kilka planów eksperymentu, przy czym zastosowany zostanie plan, który będzie najbardziej odpowiedni dla proponowanych wariantów stopów na osnowie żelaza z węglem (żeliwo i staliwo), pozwalając zoptymalizować parametry procesu technologicznego na różnych etapach.

Plany doświadczeń w niniejszym projekcie wybrane zostały w następujących aspektach:

• postać i kształt grafitu w żeliwie: - pierwiastki wpływające na kształt grafitu (Ce, Mg, Ti, Al), - rodzaj i ilość modyfikatora, - właściwości mechaniczne (Rm, A5, Z, KC, twardość oznaczana metodami

Vickersa, Rockwella i Brinella) i mikrostruktura osnowy, - dodatki stopowe (Ni, Cu, Mo), - mikrododatki (V, Sb, Sn), - obróbka cieplna (głównie odprężająca).

Po przeprowadzeniu analizy literatury i dotychczasowych badań własnych, do realizacji zadania wybrano plany:

- plan rotalny PS/DS-P:L (n 0 = 1), - plan quasi-optymalny D Hartley'a PS/DS-P:H3, przy obszarze zmienności na

hipersześcianie (hS), - plan 3xx (K-p) Boxa-Behnkena, - plan centralny kompozycyjny 2 (k-p).

Matematyczne opracowanie wyników prac w postaci funkcji z = f (x, y, z) pozwoli na utworzenie bazy równań i wykresów pozwalających na kształtowanie struktury i właściwości stopów żelaza z węglem w zależności od wymagań dla odlewów zdefiniowanych przez producentów i użytkowników maszyn i urządzeń.

A. Pytel, J. Turzyński

16 |

Zadanie 6

Opracowanie technologii i parametrów obróbki cieplnej stopów, zapewniającej uzyskiwanie odlewów o podwyższonej odporności na zużycie, przeznaczonych do pracy w warunkach cyklicznych zmian temperatury

W ramach realizacji niniejszego zadania, opracowana zostanie technologia wytwarzania innowacyjnych tworzyw odlewniczych na osnowie żelaza z węglem o sterowanej strukturze, modyfikowanej pierwiastkami stopowymi i podwyższonych właściwościach eksploatacyjnych w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Opracowana dokumentacja technologiczna stanowi podstawę do wdrożenia w zainteresowanych przedsiębiorstwach przemysłu krajowego, tj. odlewnie produkujące dla przemysłu metalurgii miedzi i stali, przemysłu szklarskiego, przemysłu motoryzacyjnego.

W ramach dokumentacji technologicznej opracowane będą:• wytyczne zastosowania stopów odlewniczych w zależności od charakterystyki

eksploatacji w warunkach cyklicznych zmian temperatury,• instrukcje technologii procesu.

Podsumowanie

• Zakres realizacji projektu opiera się na uwarunkowaniach polskiego odlewnictwa, które jest branżą dynamicznie rozwijającą się i ma znaczący wpływ na rozwój przedsiębiorczości i wzrost innowacyjności.

• Badania i wyniki projektu po jego zakończeniu mogą być wykorzystane przez przedsiębiorstwa do wdrożenia procesów technologicznych oraz stosowanie odlewów w produktach, w których dotychczas nie były stosowane elementy odlewane.

• Wykorzystanie wyników badań w gospodarce może mieć zastosowanie w produktach z wielu branż przemysłu, w szczególności w przemyśle metalurgii stali, miedzi, motoryzacyjnym, transportowym (lotnictwo) i innych.

• Do wyników projektu będą miały dostęp wszystkie f i rmy z zewnątrz z zainteresowanej badaniami branży, przy odpowiedniej ochronie praw własności intelektualnych związanych z wykonywanym projektem.

• Planowane jest upowszechnienie wyników pracy po zakończeniu projektu poprzez zacieśnienie współpracy Instytutu Odlewnictwa z przedsiębiorstwami, poprzez seminaria i publikacje, co pozwoli na wdrożenie jego wyników w gospodarce i środowisku naukowo-badawczym.

| 17

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

Issues related with casting production

Wprowadzenie

Od szeregu lat Instytut Odlewnictwa, na zlecenie Ministerstwa Gospodarki, prowadzi badania w przemyśle krajowym, dotyczące produkcji odlewniczej. Badania prowadzone są w ramach Programu Badań Statystycznych Statystyki Publicznej i mają na celu opracowanie danych statystycznych z działalności przemysłu odlewniczego, w stopniu niezbędnym dla prezentowania kompleksowych informacji dla potrzeb zarówno prawidłowego zarządzania branżą (tutaj głównym odbiorcą poza Ministerstwem Gospodarki jest Odlewnicza Izba Gospodarcza i Stowarzyszenie Techniczne Odlewników Polskich), jak i dla potrzeb organizacji międzynarodowych, w tym zwłaszcza dla Commmittee of Associations of European Foundries (CAEF – agenda Unii Europejskiej), American Foundry Society (AFS) oraz Committee des Associations Techniques de Foundries (CIATF – Międzynarodowy Komitet Stowarzyszenia Techników Odlewników).

W ostatnim okresie, m.in. wskutek porozumienia z Amerykańskim Stowarzyszeniem Odlewnictwa (AFS), wyniki badań zostały znacznie poszerzone o rynek europejski i światowy, co znalazło spektakularny wyraz zarówno w postaci dorocznych prezentacji stanu odlewnictwa w trakcie obchodów Ogólnopolskiego Dnia Odlewnika, jak i zwartych analitycznych publikacji monograficznych, w języku polskim i angielskim [1–4].

Streszczenie

Przedstawionoinformacjęzarok2010dotycząceprodukcjiodlewówzestopówżelaza(żeliwoszare,stopowe,sferoidalne,ciągliweorazstaliwo)wPolsce,Europieiwświecie.DanedotyczącePolskiopracowanonapodstawiebadaństatystycznychprzemysłuodlewniczegoprowadzonychprzezInstytutOdlewnictwawKrakowienazlecenieMinisterstwaGospodarki.Zostałyoneuzupełnioneizestawionezdanymi,podawanymiprzezAmericanFoundrySocietyorazdanymiotrzymywanymizinstytucjieuropejskich. Podjętorównieżpróbęoszacowaniaprognozrozwojukrajowegoprzemysłuodlewniczego w2012roku.

Słowakluczowe:stopyżelaza,przemysłodlewniczy,danestatystyczne

Abstract

Thestudyisa2010reviewoftheproductionofcastingsfromironalloys(castiron-grey,alloyed,ductile,malleable,andcaststeel)inPoland,inEuropeandintheworld.PolishdataarebasedonsurveysofthefoundryindustryconductedbyFoundryResearchInstituteinCracowonbehalfoftheMinistryofEconomy.TheyhavebeencompletedandcomparedwithdatagivenbytheAmericanFoundrySocietyandtheinformationsuppliedbyvariousEuropeaninstitutions. Anattemptwasalsomadetoestimateforecastsofdevelopmentofthedomesticfoundryindustryin2012.

Keywords:ironalloys,foundryindustry,statisticaldata

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

18 |

Poniżej przedstawione informacje stanowią niewielką część danych, pozyskiwanych od producentów odlewów w kraju na podstawie statystycznych ankiet odlewniczych MG-14. Zostały one uzupełnione i zestawione z danymi, podawanymi rokrocznie w raportach AFS, dotyczącymi produkcji światowej [5]. Ze względu na specyfikę pozyskiwania i gromadzenia danych, zwłaszcza w warunkach krajowych, przedstawione informacje odnoszą się – w aspekcie ich aktualności – najpóźniej do 2010 roku. Ambicją Instytutu Odlewnictwa jest, aby przekazywane dane były jak najbardziej uwspółcześnione, z maksymalnie rocznym okresem „poślizgu”. Stąd też, poczynając od 2010 roku, rozpoczęto wdrożenie systemu uproszczonej ankietyzacji produkcji odlewniczej. Nie zawsze jakość otrzymywanych danych pozostaje w zgodzie z założonym poziomem wymagań, a ilość ankiet zwrotnych pozostawia także wiele do życzenia. Należy mieć nadzieję, że nowa inicjatywa Instytutu Odlewnictwa znajdzie żywszy oddźwięk wśród producentów odlewów w Polsce, a ich aktywność w przekazywaniu najnowszych danych statystycznych będzie bez porównania wyższa, co przecież służy bezpośrednio prawidłowym procesom planowania i realizacji strategii rozwojowej branży odlewniczej, zwłaszcza odlewnictwa krajowego. W tym miejscu dobrze jest raz jeszcze zwrócić uwagę na fakt, iż obowiązek przekazywania szczegółowych danych dotyczących produkcji odlewów wynika z działań dostosowawczych Polski do członkostwa w Unii Europejskiej i przynależności do stosownych organizacji europejskich.

Polska

Produkcja odlewów łącznie w Polsce w 2010 roku wyniosła 903 400 ton i była większa o blisko 12% w stosunku do wielkości produkcji w 2009 roku. Dane dotyczące wielkości produkcji odlewów w podziale na tworzywa w roku 2010 i dla porównania w roku 2009 zestawiono w tabeli 1.

Tabela1.ProdukcjaodlewówwpodzialenatworzywawPolscew2009i2010roku

Tworzywo odlewuProdukcja w tonach Zmiana %

2010/20092009 2010

Odlewy z żeliwa szarego i stopowego 387 000 441 000 14,0

Odlewy z żeliwa sferoidalnego 118 000 142 000 20,3

Odlewy z żeliwa ciągliwego 14 400 10 300 -28,5

Odlewy staliwne 58 600 47 000 -19,8

Razem odlewy ze stopów żelaza 578 000 640 300 10,8

Odlewy ze stopów miedzi*/ 6 900 7 100 2,9

Odlewy ze stopów aluminium 206 500 246 000 19,1

Odlewy ze stopów cynku 12 000 6 300 -47,5

Odlewy z innych stopów metali nieżelaznych (w tym stopy Mg) */ 3 600 3 700 2,8

Razem odlewy ze stopów metali nieżelaznych 229 000 263 100 14,9

Razem odlewy ze stopów żelaza i metali nieżelaznych 807 000 903 400 11,9

*/daneszacunkowezuwaginabrakdanychzwielumałychodlewniprodukującychodlewyzestopówmetalinieżelaznych

Do 2008 roku produkcja odlewów ogółem ze stopów żelaza i metali nieżelaznych wykazywała tendencje wzrostowe. W 2009 miał miejsce dość znaczący spadek produkcji odlewów w stosunku do pięciu poprzednich lat. Jednakże produkcja nie osiągnęła najniższej wartości w omawianym okresie.

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 19

W 2010 roku produkcja odlewów znacznie się zwiększyła. Dane dotyczące wielkości produkcji odlewów w latach 2001–2010 przedstawiono na

rysunku 1, a udział procentowy tworzyw w całkowitej produkcji odlewów w 2010 roku na rysunku 2.

745,2 715,0 729,4

811,2 827,4 876,8

979,0 961,0

807,0

903,4

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2001*/ 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010Lata

Pro

dukc

ja w

tys.

ton

*/bezfirmzagranicznychprodukującychwPolscefelgialuminiowe

Rys.1.ZmianywielkościprodukcjiodlewówwPolscewlatach2001–2010

201020090

1020304050

Odlewy z żeliwaszarego i

stopowego

Odlewy z żeliwasferoidalnego Odlewy z żeliwa

ciągliwego Odlewy staliwne Odlewy zestopów metalinieżelaznych

48,9

15,7

1,1 5,2

29,1

48,0

14,6

1,8 7,3

28,4

Udz

iał w

cał

kow

itej p

rodu

kcji

Rys.2.UdziałprocentowytworzywwprodukcjiodlewówwPolscew2010rokuidlaporównaniaw2009roku

Odlewy z żeliwa szarego i stopowego mają największy udział w całkowitej produkcji odlewów, mimo że w zarysie ostatniego dziesięciolecia ich udział w całkowitej produkcji odlewów wykazuje tendencje spadkowe. W 2010 roku wyniósł on 48,9% i był większy niż w 2009 roku.

Odlewy z żeliwa sferoidalnego to 15,7% całkowitej produkcji odlewów. W ostatnich latach obserwuje się systematyczny wzrost wartości tego wskaźnika, jedynie w 2009 roku miał miejsce spadek w porównaniu z rokiem poprzednim.

Odlewy z żeliwa ciągliwego mają najmniejszy udział, tj. 1,1% całkowitej produkcji odlewów. Od kilku lat notuje się tendencje spadkowe udziału produkcji odlewów z żeliwa ciągliwego w całkowitej odlewniczej produkcji.

Udział odlewów staliwnych w 2010 roku wyniósł 5,2% całkowitej produkcji odlewów. Odlewy ze stopów metali nieżelaznych w 2010 roku stanowiły 29,1% całkowitej

produkcji odlewów. W ostatnich dziesięciu latach notuje się tendencje wzrostowe.

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

20 |

Świat

Udział poszczególnych tworzyw odlewniczych w całkowitej produkcji odlewów w świecie w 2010 roku przedstawia rysunek 3. Od wielu lat największy udział w produkcji odlewów stanowią odlewy z żeliwa szarego – w 2010 roku było to ponad 43 mln ton. Zwiększa się stosunkowy udział produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego w produkcji ogółem. W 2010 roku produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego (łącznie z żeliwem ciągliwym) wyniosła 23,5 mln ton, co stanowiło 26% produkcji odlewów ogółem. Następne w kolejności w zakresie produkcji odlewów ze stopów żelaza są odlewy staliwne, których wielkość produkcji w 2010 roku wyniosła 10,2 mln ton (11% w produkcji odlewów ogółem). Ogółem produkcja odlewów ze stopów żelaza w świecie stanowi 84% całkowitej produkcji odlewów.

Żeliwo szare 47%

Żeliwo sferoidalne i ciągliwe

26%

Staliwo 11%

Stopy miedzi 1,8%

Stopy aluminium 12%

Pozostałe stopy metali

nieżelaznych 2%

Rys.3.Udziałprodukcjiodlewówzposzczególnychrodzajówtworzywodlewniczychwprodukcjiodlewówogółemw2010roku

Poniżej przedstawiono również procentowy udział produkcji z poszczególnych rodzajów tworzyw w wybranych krajach świata (rys. 4).

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Chiny

Indie

USA

Japonia

Brazylia

Korea

Meksyk

Tajwan

Rosja*

żeliwo szare żeliwo sferoidalne i ciągliwestaliwo stopy aluminiumpozostałe stopy metali nieżelaznych

* Dane za rok 2009

wszystkie stopy metali nieżelaznych

Rys.4.Udziałprodukcjiodlewówzposzczególnychtworzywwcałkowitejprodukcjiodlewów wwybranychkrajachświata

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 21

Na rysunku 5 przedstawiono tendencje w produkcji odlewów ze stopów żelaza w świecie w latach 2000–2010.

Rys.5.Zmianywielkościprodukcjiwświeciewlatach2000–2010

Niezaprzeczalnym liderem w wydajności produkcji odlewów ze stopów żelaza przypadającej na odlewnię są Niemcy. Bardzo dobrą wydajność w produkcji odlewów z tego rodzaju stopu na zakład posiada Francja. W Polsce wskaźnik wydajności wyniósł 3,46.

14,37

11,69

7,37

6,02

5,95

3,65

3,46

2,83

1,60

0 5 10 15

Niemcy

Francja

Japonia

Włochy

USA

Brazylia

Polska

Korea

Chiny

Wielkość produkcji w tys. ton/odlewnię stopów żelaza

Rys. 6. Wydajność produkcji odlewów ze stopów żelaza przypadająca na odlewnię w 2010 roku

Europa

W produkcji odlewów w Europie, podobnie jak na świecie, największy udział stanowią odlewy z żeliwa szarego (41% – 8,2 mln ton). Następnie w zakresie odlewów ze stopów żelaza odlewy z żeliwa sferoidalnego i ciągliwego stanowią 30% udziału w produkcji ogółem (ponad 6 mln ton) i odlewy ze staliwa 9% – 1,8 mln ton. Pozostałe 20% to produkcja odlewów ze stopów metali nieżelaznych (rys. 7).

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

22 |

Żeliwo szare 41%

Żeliwo sferoidalne i ciągliwe

30% Staliwo

9%

Stopy aluminium 16%

Stopy miedzi 2%

Pozostałe stopy metali

nieżelaznych 2%

Rys.7.UdziałprodukcjiodlewówzposzczególnychrodzajówtworzywodlewniczychwEuropieogółemwroku2010

Poniżej przedstawiono zmiany wielkości produkcji odlewów ze stopów żelaza w latach 2004–2010 oraz pozycje czołowych krajów europejskich w produkcji tychże odlewów (rys. 8 i 9).

21,0

14,3

16,2

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Wile

kość

pro

dukc

ji w

mln

ton

Lata

odlewy ze stopów żelaza

Rys.8.Zmianywielkościprodukcjiodlewówzestopówżelazawlatach2004–2010

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 23

3 864,3

1 625,0

640,3

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

3 500

4 000

4 500

Wie

lkoś

ć pr

oduk

cji w

tys.

ton

* Dane zarok 2009

Rys.9.ProdukcjaodlewówzestopówżelazawkrajachEuropyw2010roku

Produkcja odlewów z żeliwa szarego i stopowego

Produkcja odlewów z żeliwa szarego i stopowego w 2010 roku w Polsce wyniosła 441 000 ton i była wyższa o 14% od produkcji w 2009 roku. Należy zaznaczyć, że produkcja w 2009 roku osiągnęła najmniejszą wartość na przełomie ostatnich dziesięciu lat. Zmiany produkcji w ostatnim dziesięcioleciu przedstawiono na rysunku 10.

18,3

14,6 15,7

24,9

21,5

24,4

18,2

12,4 14,4

10,3

0

5

10

15

20

25

30

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Pro

dukc

ja w

tys.

ton

Lata

Rys.10.Zmianywielkościprodukcjiodlewówzżeliwaszaregoistopowegowostatnimdziesięcioleciu

Procentowy udział poszczególnych technologii w wykonywaniu odlewów z żeliwa szarego i stopowego przedstawiono na rysunku 11.

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

24 |

23,3

14,2

40,6

3,6

17,8

0,5

0 20 40 60 80 100

Formowanie ręczne

Formowanie maszynowe

Formowanie w liniach automatycznych

Odlewanie kokilowe

Odlewanie odśrodkowe

Pozostałe technologie

Udział procentowy

Rys.11.Procentowyudziałtechnologiiwprodukcjiodlewówzżeliwaszaregoistopowego

Przy produkcji odlewów z żeliwa szarego i stopowego najczęściej stosuje się technologię formowania w liniach automatycznych (40,6%) i formowanie ręczne (23,3%). Dość duży udział w produkcji ma również formowanie maszynowe (14,2%) i odśrodkowe (17,8%).

W 2010 roku eksport odlewów z żeliwa szarego i stopowego wyniósł 153 tys. ton odlewów (rys. 12). Udział eksportu w całkowitej produkcji odlewów z żeliwa szarego wyniósł 34,7%.

441,0

153,0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Pro

dukc

ja w

tys.

ton

Eksport 34,7%

Rys.12.Produkcjaieksportodlewówzżeliwaszaregoistopowegow2010roku

Polska na tle Europy

Polska zajmuje 7 miejsce wśród czołowych producentów odlewów z żeliwa szarego i stopowego w Europie. Niekwestionowanym liderem w tej grupie są Niemcy z produkcją ponad 2 mln ton (rys. 13).

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 25

2 185,3

441,0

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

Wie

lkoś

ć pr

oduk

cji w

tys.

ton

* Dane za rok 2009

Produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego

W 2010 roku produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego wyniosła w Polsce 142 000 ton i była wyższa o 20,3% od produkcji w 2009 roku. W ostatnim dziesięcioleciu produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego wykazuje tendencje wzrostowe, w roku 2010 była wyższa o ok. 35% od produkcji w roku 2001. Zmiany wielkości produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego przedstawiono na rysunku 14.

Rys.13.ProdukcjaodlewówzżeliwaszaregowkrajachEuropyw2010roku

105,2 105,5 93,2 97,5

112,5

132

147,3 148,4

118,0

142,0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Pro

dukc

ja w

tys

. ton

Lata

Rys.14.Zmianywielkościprodukcjiodlewówzżeliwasferoidalnegowostatnimdziesięcioleciu

Procentowy udział poszczególnych technologii w wykonywaniu odlewów z żeliwa sferoidalnego przedstawiono na rysunku 15.

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

26 |

21,1

5,0

73,5

0,4

0 20 40 60 80

Formowanie ręczne

Formowanie maszynowe

Formowanie w liniachautomatycznych

Pozostałe technologie

Udział procentowy

Rys.15.Procentowyudziałtechnologiiwprodukcjiodlewówzżeliwasferoidalnego

142,0

89,0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Pro

dukc

ja w

tys

. ton

Eksport 62,7%

Rys.16.Wielkośćprodukcjiieksportuodlewówzżeliwasferoidalnegow2010roku

Większość odlewów z żeliwa sferoidalnego wykonuje się w największych krajowych odlewniach, stąd też odlewy te wykonywane są głównie w liniach automatycznych (ok. 73,5% całkowitej produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego). Udział formowania ręcznego w 2010 roku wyniósł 21,1% i był niższy niż w latach poprzednich.

Według danych z ankiet statystycznych MG-14, eksport odlewów z żeliwa sferoidalnego w 2010 roku wyniósł ok. 89 tys. ton. Udział eksportu wyniósł 62,7% całkowitej produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego (rys. 16).

Produkcja odlewów z żeliwa ciągliwego

Produkcja odlewów z żeliwa ciągliwego w Polsce w 2010 roku wyniosła 10 300 ton i była niższa od produkcji w roku 2009 o 28,5%. W ostatnim dziesięcioleciu produkcja odlewów z żeliwa ciągliwego wykazywała tendencje spadkowe, w 2010 roku była niższa od produkcji w roku 2001 o 43,4%. Zmiany wielkości produkcji przedstawiono na rysunku 17.

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 27

Procentowy udział poszczególnych technologii w wykonywaniu odlewów z żeliwa ciągliwego przedstawiono na rysunku 18.

18,3

14,6 15,7

24,9

21,5

24,4

18,2

12,4 14,4

10,3

0

5

10

15

20

25

30

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Pro

dukc

ja w

tys.

ton

Lata

Rys.17.Zmianywielkościprodukcjiodlewówzżeliwaciągliwegowostatnimdziesięcioleciu

1,4

19,4

79,2

0 20 40 60 80 100

Formowanie ręczne

Formowaniemaszynowe

Formowanie w liniachautomatycznych

Udział procentowy

Rys.18.Procentowyudziałposzczególnychtechnologiiwprodukcjiodlewów zżeliwaciągliwegow2010roku

Najbardziej nowoczesną metodę formowania stosują odlewnie żeliwa ciągliwego, gdzie blisko 80% odlewów wykonuje się w liniach automatycznych.

Według danych z ankiet statystycznych MG-14 – eksport odlewów z żeliwa ciągliwego w 2010 roku wyniósł 1500 ton, a udział eksportu w całkowitej produkcji odlewów z żeliwa ciągliwego wyniósł 12,9%. Dane te przedstawiono na rysunku 19.

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

28 |

10,3

1,5

0

2

4

6

8

10

12

Pro

dukc

ja w

tys

. to

n

Eksport 12,5%

Polska na tle Europy

Polska zajmuje 8 miejsce w Europie w produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego i ciągliwego. Podobnie jak przy produkcji odlewów z żeliwa szarego i stopowego największym producentem są w tej grupie Niemcy, z produkcją bliską 1,5 mln ton.

Rys.19.Wielkośćprodukcjiieksportuodlewówzżeliwaciągliwegow2010roku

1 486,9

916,1

543,3

152,3

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

Wie

lkoś

ć pr

oduk

cji w

tys.

ton

* Dane za rok 2009

Rys.20.ProdukcjaodlewówzżeliwasferoidalnegoiciągliwegowkrajachEuropy w2010roku

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 29

Produkcja odlewów ze staliwa

Produkcja odlewów ze staliwa (łącznie ze staliwa węglowego, niskostopowego i wysokostopowego) w Polsce w 2010 roku wyniosła 47 000 ton i wykazała spadek o 19,8%, w stosunku do produkcji w 2009 roku. W ostatnim dziesięcioleciu najniższą produkcję odnotowano w roku 2003. Jednak do 2008 roku produkcja odlewów ze staliwa wykazywała tendencje wzrostowe. W stosunku do 2001 roku spadek produkcji wyniósł 15,1%. Powyższe dane przedstawiono na rysunku 21.

54,5

48,4 46,5

54,1

60,6 60,8 65,5

68,2

58,6

47,0

0

10

20

30

40

50

60

70

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010Lata

Pro

dukc

ja w

tys

. ton

Procentowy udział poszczególnych technologii w wykonywaniu odlewów ze staliwa przedstawiono na rysunku 22.

Rys.21.Zmianywielkościprodukcjiodlewówzestaliwawostatnimdziesięcioleciu

77,4

16,4

4,8

1,4

0 20 40 60 80 100

Formowanie ręczne

Formowanie maszynowe

Formowanie w liniachautomatycznych

Pozostałe technologie

Udział procentowy

Rys.22.Procentowyudziałtechnologiiwprodukcjiodlewówzestaliwaw2010roku

J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek

30 |

W odlewniach produkujących odlewy staliwne 77,4% form wykonywanych jest ręcznie, 16,4 % formuje się maszynowo a 4,8% w liniach automatycznych.

Eksport odlewów ze staliwa w 2010 roku wyniósł 11,5 tys. ton, co stanowi ok. 24,5% całkowitej produkcji tych odlewów. Dane te przedstawiono na rysunku 23.

Polska na tle Europy

Polska zajmuje 10 miejsce w rankingu producentów odlewów ze staliwa w Europie. W tej grupie liderem jest Rosja z produkcją 7 mln ton.

47,0

11,5

0

10

20

30

40

50

Pro

dukc

ja w

tys

. odl

ewów

Eksport 24,5%

Rys.23.Wielkośćprodukcjiieksportuodlewówzestaliwaw2010roku

700,0

275,0

192,1

47,0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Wie

lkoś

ć pr

oduk

cji w

tys.

ton

* Dane za rok 2009

Rys.24.ProdukcjaodlewówzestaliwawkrajachEuropyw2010roku

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualny

| 31

Wnioski

• Produkcja odlewów łącznie ze stopów żelaza i metali nieżelaznych w 2010 roku wyniosła 903,4 tys. ton i wykazała wzrost o 11,9%, w stosunku do produkcji w 2009 roku.

• Produkcja odlewów z żeliwa szarego i stopowego wykazała w 2010 roku wzrost o 14% w stosunku do produkcji 2009 roku.

• Produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego wykazała w 2010 roku wzrost w stosunku do 2009 roku o 20,3%.

• Produkcja odlewów z żeliwa ciągliwego w ostatnich latach wykazywała tendencje spadkowe, w ostatnim roku nastąpił spadek produkcji w stosunku do 2009 roku o 28,5%.

• Produkcja odlewów ze staliwa w 2010 roku wykazała spadek o 19,8% w stosunku do produkcji w 2009 roku.

• Spośród zakładów, które uczestniczyły we wstępnej ankiecie produkcji odlewniczej za rok 2011, 116 odlewni przedstawiło swoje prognozy odnośnie produkcji odlewów w 2012 roku. Na tej podstawie podjęto próbę oszacowania poziomu produkcji, jaki będzie miał miejsce w 2012 roku. Określa się, że przy prognozowanym ok. 2,5% wzroście PKB, nastąpi dalszy ok. 3% wzrost produkcji odlewów, który zbliży polskie odlewnictwo do poziomu produkcji z 2007 roku.

Podziękowania

Niniejsza publikacja powstała na podstawie badań statystycznych, prowadzonych na zlecenie Ministerstwa Gospodarki w Instytucie Odlewnictwa oraz w wyniku realizowanego w 2011 projektu statutowego pt.: „Analiza produkcji odlewów w świecie”. Autorzy pragną podziękować p. minister Grażynie Henclewskiej, podsekretarzowi stanu w Ministerstwie Gospodarki, za wyrażenie zgody na publikacje danych, zawartych w ankietach MG-14.

Literatura

[1] Kryczek A., Pachota M., Przytuła S.: Specjalistyczne badania statystyczne w przemyśle odlewniczym, Instytut Odlewnictwa, 2011

[2] Praca zbiorowa: Prognozy i trendy rozwojowe w odlewnictwie światowym i krajowym, Instytut Odlewnictwa, 2012

[3] Forecast and development trends in global and national foundry industry, Instytut Odlewnictwa, 2012[4] Sytuacja odlewnictwa światowego. Stan aktualny – prognozy – prezentacja z okazji Ogólnopolskiego

Dnia Odlewnika[5] AFS Metalcasting Forecast and Trends, American Foundry Society Inc, 2011[6] Materiały CAEF – International Foundry Forum, Barcelona 2010[7] Modern Casting, March 2010 – Regaining Lost Ground[8] Modern Casting, December 2011[9] Raport CAEF The European Foundry Industry, 2010

32 |

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego

Cast iron with vermicular graphite – the structural material for components operating under the conditions of thermal fatigue

Wprowadzenie

Materiałem konstrukcyjnym, znajdującym obecnie szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i najczęściej używanym spośród stopów jest żeliwo, którego popularność wytwórcza trwa niezmiennie od wielu lat. Wraz z rozwojem techniki następowało zwiększanie zapotrzebowania na żeliwo o coraz wyższych właściwościach. Powstało szereg odmian żeliwa, na przykład: żeliwo stopowe, żeliwo ciągliwe, żeliwo sferoidalne, żeliwo hartowane z przemianą izotermiczną (ADI) [1–8], a także żeliwo z grafitem wermikularnym [9–13].

Żeliwo z grafitem wermikularnym odgrywa w tym zestawie specyficzną rolę, gdyż ma szereg niezaprzeczalnych zalet w porównaniu z żeliwem szarym i sferoidalnym, a właściwości jego są sytuowane między wysokojakościowym żeliwem szarym modyfikowanym i żeliwem sferoidalnym.

Z historycznego punktu widzenia, żeliwo z grafitem wermikularnym zwanym jako „zwarty” znane jest od 1948 roku, w którym po raz pierwszy zostało wytworzone [18, 19]. Stosowanie żeliwa na większą skalę nie było możliwe aż do momentu, kiedy dostępne stały się zaawansowane technologie kontroli procesu oraz wynaleziono nowoczesne elektroniczne systemy pomiarowe i systemy komputerowe [18]. W 2006 roku opublikowano nową normę ISO 16112 dla żeliwa z grafitem wermikularnym, w której zastosowano

Streszczenie

Przedstawionoogólnącharakterystykężeliwazgrafitemwermikularnym,jakomateriałukonstrukcyjnegoodpornegonazmęczeniecieplne.Podanopodstawoweporównawczewskaźnikimechaniczne,fizyczneiodlewniczeżeliwa.Omówionoprzykładyzastosowaniażeliwazgrafitemwermikularnymwprzemyśle.Uwzględnionospecyfikęzastosowaniażeliwawermikularnegonanowoczesneblokicylindrówikolektorywydechowe.

Słowakluczowe:zmęczeniecieplneżeliwa,żeliwozgrafitemwermikularnym,wskaźnikimechaniczneżeliwa,blokicylindrów,urządzeniedobadańzmęczeniacieplnego

Abstract

Thegeneralcharacteristicsofcastironwithvermiculargraphiteasastructuralmaterialresistanttothermalfatigueweregiven.Thebasiccomparative,mechanical,physicalandcastingindicatorsofthiscastironwerepresented.Examplesofindustrialapplicationsofthecastironwithvermiculargraphitewerediscussed.Thespecificnatureoftheapplicationofvermiculargraphitecastironforadvancedcylinderblocksandexhaustmanifoldswashighlighted.

Keywords:thermalfatigueofcastiron,castironwithvermiculargraphite,mechanicalindicatorsofcastiron,cylinderblocks,apparatusforthermalfatiguetesting

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia...

| 33

połączone nazewnictwo: „Żeliwo z grafitem zwartym (wermikularnym)”. Wyróżniono pięć gatunków tego żeliwa w oparciu o minimalną wartość wytrzymałości na rozciąganie próbek wykonanych z wlewków osobno odlewanych. Norma rozróżnia następujące gatunki żeliwa: ISO 16112/JV/300 (ferrytyczne); ISO 16112/JV/350, ISO 16112/JV/400, ISO 16112/JV/450 (ferrytyczno-prerlityczne lub perlityczne); ISO 16112/JV/500 (niskostopowe). Żeliwo to jest wykorzystywane w coraz większym stopniu jako materiał konstrukcyjny wielu różnych elementów, szczególnie w przemyśle budowy samochodów, traktorów, maszyn rolniczych, pociągów, w przemyśle hutniczym, szklarskim itp.

Ogólna charakterystyka żeliwa z grafitem wermikularnym jako materiału konstrukcyjnego odpornego na zmęczenie cieplne

Żeliwo z grafitem wermikularnym w porównaniu do wysokojakościowego żeliwa modyfikowanego z grafitem płatkowym wykazuje między innymi [20]:

• wyższą wytrzymałość na rozciąganie,• lepszą plastyczność i wyższą odporność na obciążenia dynamiczne,• mniejszą wrażliwość na grubość ścianki (zachowanie odpowiednich właściwości

wytrzymałościowych w grubościennych odlewach),• mniejszą skłonność do utleniania i pęcznienia w podwyższonej temperaturze,• wyższą odporność na zmęczenie cieplne.

W porównaniu do ferrytycznego żeliwa z grafitem kulkowym, żeliwo z grafitem wermikularnym ma następujące zalety:

• niższy moduł sprężystości,• niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej,• wyższe przewodnictwo cieplne,• wyższą odporność na zmęczenie cieplne podczas bardzo szybkich zmian cykli

temperatury (nagrzewanie – chłodzenie),• większą zdolność do tłumienia drgań,• lepszą skrawalność,• lepszą lejność i mniejszą skłonność do tworzenia jam skurczowych,• mniejszą skłonność odlewów do odkształceń w podwyższonej temperaturze i lepszą

stabilność wymiarową,• mniejszą skłonność do zabieleń,• mniejsze zanieczyszczenie środowiska podczas produkcji.

Żeliwo z grafitem wermikularnym znajduje zastosowanie głównie na odlewy, od których wymaga się wyższych właściwości niż może zapewnić żeliwo szare, w tym również niskostopowe. Wyższa wytrzymałość żeliwa wermikularnego umożliwia zmniejszenie grubości ścianek odlewów, a tym samym masy odlewów. Główną zaletą tego tworzywa jest jednak zwiększona odporność na nagłe zmiany temperatury, jak również szczelność. Wysokie walory użytkowe tego żeliwa jak najbardziej predestynują je do zastosowania na elementy maszyn i urządzeń dla przemysłu rolniczego, zwłaszcza pracujących w podwyższonej temperaturze. Żeliwo z grafitem wermikularnym jest jednym z rodzajów tworzyw odlewniczych charakteryzującym się odpowiednim kształtem wydzieleń grafitu. Wydzielenia grafitu przyjmują formę pośrednią pomiędzy kulkową i płatkową. W technicznej literaturze angielskiej stosuje się określenia: vermiculargraphitecastiron (żeliwo z grafitem „robaczkowym”) lub compactedgraphitecastiron (żeliwo z grafitem „zwartym”), w niemieckiej GusseisenmitVermiculargraphit. W skrócie określa się go w literaturze angielskiej CGI, i GVI, a w niemieckiej GGV. System oznaczania żeliwa uwzględnia polska norma PN-EN 1560:2001, natomiast określenie cech wydzieleń grafitu, w tym wzorce kształtu grafitu norma PN-EN ISO 945-1:2009 (wzorzec kształtu wydzieleń grafitu, typ III). Są też instrukcje

A. Pytel

34 |

wydane w poszczególnych krajach, które dokładniej definiują i precyzują żeliwo z grafitem wermikularnym, np. w Niemczech VDG-Merkblatt W50. W USA stosowana jest norma ASTM A842-85. Podstawowy skład chemiczny żeliwa wermikularnego mieści się przeważnie w następujących zakresach: C = 3,2–3,8%; Si = 2,0–3,2%; Mn = 0,1–0,7%; P do 0,06%; S do 0,02%. W zależności od sposobu wytwarzania, żeliwo zawiera odpowiednie zawartości takich pierwiastków, jak: Mg, Ce, Ca, Al, Ti, Y, La. W celu uzyskania odpowiednich właściwości użytkowych stosuje się pierwiastki stopowe, jak np.: Cu, Sn, Mo, V, Cr, itp. Struktura osnowy metalowej może być różna, np. ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna, perlityczna, ale także ausferrytyczna (żeliwo AVCI z grafitem wermikularnym). Na rysunkach 1–3 przedstawiono fotografie struktury żeliwa z grafitem płatkowym, kulkowym i wemikularnym (badania wykonano na mikroskopie optycznym), a na rysunku 4 zobrazowano wydzielenia grafitu wermikularnego przy użyciu mikroskopu skaningowego (SEM).

Właściwości mechaniczne, fizyczne i technologiczne żeliwa z grafitem wermikularnym (gdy wynikają one z kształtu grafitu) lokują się pomiędzy tymi, które charakteryzują żeliwo z grafitem kulkowym i płatkowym. Ważniejsze wskaźniki mechaniczne, fizyczne i odlewnicze żeliwa z różnymi rodzajami grafitu i osnowy metalowej zestawiono w tabeli 1 [21, 22].

Rys.1.Żeliwoszarezgrafitempłatkowym Rys.2.Żeliwozgrafitemkulkowym

Rys.3.Żeliwozgrafitemwermikularnym Rys.4.Grafitwermikularny (zdjęcieskaningowe,pow.8000x)

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia...

| 35

Wybrane wskaźniki Jednostka Żeliwo szare

Żeliwo wermikularne ferrytyczne

Żeliwo wermikularne

perlityczne

Żeliwo sferoidalne

Wytrzymałość na rozciąganie, Rm

MPa 100–400 min. 300 400–500 350–900

Umowna granica sprężystości, Rp0,2

MPa – min. 240 340–440 250–600

Wydłużenie, A5 % max. 1,5 min. 2 1 2–22

Wytrzymałość na zginanie MPa 300–600 600 700 800–1200

Wytrzymałość na ściskanie MPa 500–1400 min. 500 min. 600 600–1200

Twardość HB 140–300 130–190 200–280 120–350

Udarność (próbka bez karbu) J 6–19 max. 10 – 9–196

Udarność (próbka z karbem) J – max. 7 – max. 21

Moduł sprężystości, E0 GPa 75–155 130–160 130–170 165–185

Gęstość Mg/m3 7,0–7,5 7,0 7,1 7,1–7,3

Przewodność cieplna, λ (20–200°C)

W/m·K 46–59 38–46 34 25–38

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, α

(20–200°C) K-1 ·106 11–12 11 13 11,3–13

Oporność elektryczna (20oC) μΩ·m 0,5–1,0 0,7 0,8 0,5–0,7

Skurcz liniowy % 0,5–1,2 0,9–1,1 0,9–1,1 0,7–1,1

Skurcz objętościowy % 1,0–3,0 1,0–5,0 1–5 7–10

Przykłady zastosowania żeliwa z grafitem wermikularnym w przemyśle

Główne kierunki stosowania żeliwa z grafitem wermikularnym w przemyśle są następujące:

a. zastępowanie żeliwa szarego i obniżenie masy odlewów przez zmniejszenie grubości ich ścianek,

b. zastępowanie żeliwa szarego niskostopowego żeliwem wermikularnym,c. wielkoseryjna produkcja różnego rodzaju odlewów cienkościennych

o właściwościach odpowiadających rodzajom żeliwa sferoidalnego średnich gatunków,

d. odlewy przeznaczone do eksploatacji w warunkach cyklicznych zmian temperatury i poddawanych działaniu naprężeń mechanicznych.

Z żeliwa z grafitem wermikularnym produkuje się m.in.:• odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego: głowice, bloki, kolektory wydechowe, tarcze

hamulcowe, szczęki hamulców, skrzynie korbowe, łączniki przewodów dla traktorów, dźwignie hamulca ręcznego [9, 10, 12, 19, 23, 24],

• odlewy dla przemysłu okrętowego: głowice, pokrywy i cylindry silników Diesla [9, 10],

• części armatury ciśnieniowej, jak zawory, korpusy zaworów, przewody hydrauliki siłowej [23], a także urządzenia rozdzielcze o różnej masie dla hydrauliki wysokociśnieniowej [20],

Tabela1.Charakterystycznewskaźnikimechaniczne,fizyczneiodlewniczeżeliwa zgrafitempłatkowym,wermikularnymikulkowym

A. Pytel

36 |

• odlewy dla przemysłu maszynowego: obudowy łożysk, koła zamachowe, obudowy przekładni, koła łańcuchowe [10],

• odlewy dla przemysłu hutniczego (wlewnice, kadzie żużlowe),• odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego i rolniczego: kolektory wydechowe, tarcze

hamulcowe, szczęki hamulców, skrzynie korbowe, łączniki przewodów dla traktorów [10].

Przykłady zastosowania żeliwa wermikularnego na odlewy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego zamieszczono na rysunkach 5–15.

Rys.5.BloksilnikaDiesladlasamochoduAudi(silnik3,3litraV8)[22]

Rys.6.BloksilnikaDiesladlasamochoduBMW(silnik3,9litraV8)[22]

Rys.7.ŁożewałudladużychsilnikówDiesla;masa8t[27]

Rys.9.Obudowaskrzynibiegówsamochodówosobowych[27]

Rys.8.GłowicacylindradlaszybkobieżnychsilnikówDieslastosowanychwaparatachprądotwórczych;grubośćścianek8–50mm;

masa100kg[22]

Rys.10.Obudowatylnejosisamochodówosobowych(widokiprzekrój)[27]

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia...

| 37

Rys.11.Wspornikdomocowaniabelkimaszynyżniwnejdociągnika;masa11,5kg[5]

Rys.12.RurawylotowadosilnikówDiesladlapojazdówszynowych;grubośćścianek

8–40mm;masa26kg[5]

Rys.13.Kadźżużlowa;masa18t[27]

Rys.15.Tulejacylindrowa[23]

Rys.14.Wlewnica;masa23t[28]

A. Pytel

38 |

Na rysunku 16 przedstawiono przykład pęknięć termicznych tarczy hamulcowej pociągu wykonanej z żeliwa konwencjonalnego. Obecnie trwają intensywne prace nad zastąpieniem żeliwa szarego z grafitem płatkowym żeliwem wermikularnym z dodatkami stopowymi [29].

Rys.16.Pęknięciatermicznetarczyhamulcowejpociąguwykonanejzżeliwaszaregomodyfikowanego

Nowoczesne bloki i cylindry

Wymagania dotyczące oszczędności paliwa w pojazdach, zwiększenia osiągów silnika oraz zmniejszenia poziomu szkodliwych emisji stanowią cały czas wyzwanie dla konstruktorów i wybieranych przez nich materiałów. W miarę jak poprawia się infrastruktura sieci dróg i zwiększa się konieczność zapewnienia transportu towarów od konstruktorów wymaga się zaprojektowania nowoczesnych, wysokosprawnych silników Diesla, które mogłyby transportować większe masy ładunków, przy optymalnym zużyciu paliwa. W oparciu o doświadczenia stwierdzono, że uzyskanie wyższych osiągów pracy silnika wymaga zwiększenia się najwyższego ciśnienia spalania (Pmax) w komorze odlewu bloku. W sektorze europejskich pojazdów do eksploatacji handlowej Pmax zwiększyło się z około 180 barów do 220–240 barów w 2007 roku. Wynikający stąd wzrost obciążenia termicznego i mechanicznego wymagał przejścia ze standardowego żeliwa szarego na żeliwo z grafitem wermikularnym, głównie dla uzyskania przedłużonej żywotności silnika bez zwiększenia jego gabarytów lub masy. Przy wytrzymałości na rozciąganie rzędu minimum 75%, sztywności wyższej o 45% i około dwukrotnie wyższej wytrzymałości zmęczeniowej w porównaniu z konwencjonalnym żeliwem szarym, żeliwo wermikularne może sprostać wymaganiom większej trwałości i zapewnić stabilność wymiarową konieczną dla spełnienia warunku obniżeniu emisji spalin w czasie pracy wysokoprężnego silnika. Mimo, że żeliwo z grafitem wermikularnym zostało po raz pierwszy wytworzone w roku 1948, wymagania w zakresie ustabilizowanej produkcji odlewniczej eliminowały możliwość zastosowania na szerszą skalę, tego gatunku żeliwa na skomplikowane części, takie jak bloki i głowice silników aż do chwili, kiedy dostępne stały się zaawansowane technologie kontroli procesu, w tym nowoczesnych elektronicznych systemów pomiarowych i procesorów komputerowych. Po opracowaniu techniki odlewniczej i stosownych rozwiązań produkcyjnych, pierwotnie zapoczątkowanych w Europie w latach 90., w 1999 roku rozpoczęto pierwszą seryjną produkcję bloków cylindrów z żeliwa wermikularnego. Obecnie wiele odlewów bloków z tego gatunku żeliwa jest wytwarzane co miesiąc dla producentów, takich pojazdów jak: Audi, DAF, Ford, Hyundai, MAN, Mercedes, PSA, Volkswagen i Volvo.

O ile wyższa wartość Pmax zapewnia lepsze spalanie, osiągi i udoskonalenie pracy silnika, wynikające stąd wyższe obciążenia termiczne i mechaniczne wymagają nowych rozwiązań konstrukcyjnych. Inżynierowie konstruktorzy zmuszeni są wybierać pomiędzy

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia...

| 39

zwiększeniem przekroju ścianek odlewów i masy odlewów wykonanych z tradycyjnych materiałów, takich jak żeliwo szare z grafitem płatkowym i stopy aluminium lub zastosować materiał o większej wytrzymałości, czyli żeliwo z grafitem wermikularnym [12].

Mikrostruktura i wytrzymałość żeliwa

W miarę zwiększania udziału grafitu wermikularnego w żeliwie, wzrasta również jego wytrzymałość i sztywność, dzieje się to jednak kosztem lejności, obrabialności i przewodności cieplnej. Dlatego rodzaj mikrostruktury należy wybierać z uwzględnieniem zarówno wymagań produkcyjnych, jak i warunków pracy danego komponentu. O ile wydzielenia grafitu wermikularnego mają kształt „robaczków”, kiedy oglądane są w układzie dwuwymiarowym, mikrografie po głębokim trawieniu oglądane pod skaningowym mikroskopem elektronowym (rys. 4) pokazują, że poszczególne „robaczki” są połączone z najbliższymi sąsiadującymi wydzieleniami w obrębie danego ziarna eutektycznego. Ta złożona morfologia grafitu, jak również zaokrąglone krawędzie i nieregularne „wyboiste” powierzchnie wydzieleń grafitu wermikularnego powodują (zwiększają) adhezję pomiędzy grafitem i osnową metalową żeliwa, powstrzymując inicjację pęknięć i zapewniając doskonałe właściwości mechaniczne.

W tabeli 2 pokazano program seryjnej produkcji komponentów silników [12].

Tabela2.Programseryjnejprodukcjiżeliwawermikularnego

NrProducent

oryginalnego wyposażenia

Opis silnika Element wykonany z żeliwa wermikularnego

1 Audi 3.0 L V6 Diesel Bloki

2 Audi 4.2 L V8 Diesel Bloki

3 Audi 6.0 L V12 Diesel Bloki

4 Caterpillar Silniki wysokowydajne Tuleje

5 DAF 12.6 L 1-6 Diesel Bloki

6 DAF 12.9 L 1-6 Diesel Bloki i głowice

7 Ford-PSA 2.7 L V6 Diesel Bloki

8 Ford 3.6 L V8 Diesel Bloki

9 Ford-Otosan 9.0 L 1-6 Diesel Bloki i głowice

10 Hyundai 3.0 L V6 Diesel Bloki

11 Hyundai 3.9 L 1-4 Diesel Bloki

12 Hyundai 5.9 L 1-6 Diesel Bloki

13 International 11.0 L 1-6 Diesel Bloki

14 International 13.0 L 1-6 Diesel Bloki

15 John Deere 9.0 L 1-6 Diesel Tuleje

16 MAN 10.5 L 1-6 Diesel Bloki

17 MAN 12.4 L 1-6 Diesel Bloki

18 Mercedes 12.0 L V6 Diesel Bloki

19 Mercedes 16.0 L V8 Diesel Bloki

20 Renault 3.0 L V6 Diesel Bloki

21 Volvo Wysokowydajne silniki diesla Bloki

A. Pytel

40 |

W tabeli 3 zamieszczono dane właściwości żeliwa wermikularnego szarego i stopów aluminium.

Tabela3.Właściwościmechaniczneifizycznewtemperaturze20°Cżeliwawermikularnegowporównaniu zestandardowymżeliwemszarymistopemaluminium

Właściwość Jednostka GJV–450 GJL–250 GJL–300 A 390.0

Wytrzymałość na rozciąganie MPa 450 250 300 275

Moduł elastyczności GPa 145 105 115 80

Wydłużenie % 1-2 0 0 1

Wytrzymałość na zginanie obrotowe w temperaturze 20°C

MPa 210 110 125 100

W porównaniu z żeliwem szarym modyfikowanym, zastosowanie żeliwa z grafitem wermikularnym daje następujące korzyści:

• zmniejszenie grubości ścianek przy zachowaniu takich samych obciążeń roboczych, • zwiększenie obciążeń roboczych przy zachowaniu dotychczasowych parametrów

projektowych,• mniejsze wartości współczynników bezpieczeństwa dzięki mniejszemu

zróżnicowaniu właściwości w stanie po odlaniu, • mniejsze ryzyko występowania zniekształceń na średnicy odlewu bloku,• większy komfort jazdy (mniejszy hałas i wibracje),• krótsza droga wejścia gwintu i dzięki temu krótsze sworznie.

W porównaniu z silnikiem wykonanym poprzednio, po pełnym montażu silnik wykonany z żeliwa wermikularnego był o 13% krótszy, 5% niższy, 5% węższy i 9,4% lżejszy. Przykład ten pokazuje możliwości, jakie daje żeliwo wermikularne w osiągnięciu podwójnego celu, tzn. zmniejszenia gabarytów silnika i zwiększenia jego mocy.

Inną zaletą silnika wykonanego z żeliwa wermikularnego jest fakt, że średnica bloku nie ulega zniekształceniom podczas pracy silnika. W warunkach połączonego oddziaływania wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia spalania, średnica bloku może wykazywać tendencję do elastycznego rozszerzania się. Jednak w przypadku żeliwa wermikularnego, zwiększona wytrzymałość i sztywność tego materiału lepiej przeciwstawia się działaniu tych sił i pozwala na zachowanie pierwotnych wymiarów i kształtu średnicy bloku.

Kolektory wydechowe z żeliwa wermikularnego

Kolektory wydechowe były początkowo wykonywane z żeliwa szarego, ale po przebiegu około 15 do 30 000 km w terenie górzystym, ulegały pękaniu również niektóre obudowy przekładni [29]. W latach 80 rozpoczęto, na niewielką skalę, próby z żeliwem wermikularnym. Próby wykazały, że samochody miały przebieg po 200 000 km bez pęknięć kolektorów; nawet po usunięciu żeber wzmacniających, które stanowiły 10% masy odlewu. Również po zastosowaniu żeliwa wermikularnego, całkowicie zlikwidowano pęknięcia obudów przekładni. Od 1984 roku rozpoczęto produkcję z żeliwa wermikularnego wszystkich kolektorów wydechowych i niektórych przekładni.

Od 1992 roku odlewnia DFM [29] rozpoczęła produkcję kolektorów wydechowych z żeliwa wermikularnego do szanghajskiego samochodu VolkswagenSantana. Produkuje się z żeliwa wermikularnego kolektory wydechowe do samochodów ciężarowych, do

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia...

| 41

samochodów osobowych i obudowy przekładni. Do dziś wyprodukowano 1 300 000 sztuk kolektorów wydechowych z żeliwa wermikularnego do samochodów ciężarowych, 150 000 kolektorów wydechowych do samochodów osobowych i ponad 10 000 obudów przekładni. Masa całkowita odlewów z żeliwa wermikularnego osiągnęła 16 780 t. Poziom wybrakowanych odlewów szacuje się na poziomie 4%.

Główne wymiary odlewów są podane w tabeli 4 [29].

Tabela4.Głównewymiaryimasaodlewów

Typ odlewów Maksymalny wymiar, mm

Główna grubość, mm

Maksymalna grubość, mm

Masa, kg

Kolektor wydechowy (samochód ciężarowy) 668 5,0 26 14

Obudowa przekładni (samochód ciężarowy) 379 5,5 31 30

Kolektor wydechowy (samochód osobowy) 326 4,0 35 6

Kolektor wydechowy pracuje w temperaturze ok. 700°C. Rozszerzalność cieplna podczas przegrzania daje zwiększenie naprężeń ściskających, podczas gdy skurcz w czasie chłodzenia powoduje naprężenia rozciągające w kolektorze przymocowanym śrubami do chłodzonego wodą odlewu bloku silnika. Odporność na zmęczenie termiczne żeliwa wermikularnego jest 3–4 razy większa od odporności żeliwa szarego, podczas zmian temperatury pomiędzy 250 a 700°C, dzięki czemu kolektory z żeliwa wermikularnego nie tak łatwo ulegają pękaniu.

Odporność korozyjna żeliwa wermikularnego w temperaturze otoczenia oraz w wysokiej temperaturze jest dużo lepsza niż żeliwa szarego modyfikowanego, co także ma wpływ na ograniczenie pękania.

Prowadzone były próby zastosowania na kolektory żeliwa sferoidalnego ferrytycznego, lecz rezultaty były niekorzystne, gdyż po rozmontowaniu stwierdzono znaczne odkształcenia.

Wnioski

Jeżeli odlewy pracują pod obciążeniem cieplnym lub gdy grubość ścianki jest mała, a wymagana jest duża wytrzymałość, zmiana materiału z żeliwa szarego modyfikowanego na wermikularne może znacznie wydłużyć okres trwałości odlewu.

Dla zapewnienia stałości wyników w produkcji istotne jest wprowadzenie ścisłej kontroli procesu wytwarzania wyrobu.

Literatura

[1] Janowak J.F.,Gundlach R.B.: Development of Ductile Iron for Commercial Austempering, AFS Transactions, 1983, No. 86, p. 377

[2] Kovacs B.V.: Heat Treating of Austempered Ductile Iron, AFS Transactions, 1994, No. 99, p. 281[3] Kovacs B.V.: On the Terminologyand Structure of ADI, AFS Transactions, 1991, No. 102, p. 417[4] Brandenberg K., Hayrynen K.L., Keought J.R.: Austempered gears and shafs tough solutions, Applied

Process Inc. Technologies Div. Livonia, Michigan, USA[5] Kowalski A., Pytel A., Turzyński J.: Properties and application of new types of ausferritic cast iron,

Conference Proceedings, Slovenian Fundrymen Society, Faculty of Natural Sciences and Engineering, University of Liubliana, Portoroż 12–13 September 2007

[6] Pirowski Z., Gościański M.: Konstrukcja i technologia wytwarzania odlewanych lemieszy do pługów obracalnych i zagonowych, MOTROL – Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa, Lublin, 2009, T. 11, pp. 159–167

A. Pytel

42 |

[7] Podrzucki C.: Problemy produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego ADI, Przegląd Odlewnictwa, 1966, nr 10, s. 260

[8] Guzik E.: Żeliwo ausferrytyczne na walce hutnicze, Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Kierunki rozwoju produkcji walców, Wisła-Malinka, 21–23.02.2001, s. 87

[9] Guzik E.: Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane Zagadnienia, Archiwum Odlewnictwa, Katowice, 2001, s. 85–89

[10] Podrzucki C.: Żeliwo – struktura, właściwości, zastosowanie, Tom 1 i 2, Wyd. ZG STOP, Kraków, 1991[11] Zych J.: Wpływ molibdenu na odporność na zmęczenie cieplne żeliwa z grafitem płatkowym,

wermikularnym i sferoidalnym. XX Konferencja Wydziału Odlewnictwa AGH, Kraków, 1995, s. 93–98[12] Dawson S.: Compacted graphite iron a material solution for modern diesel engine cylinder blocks and

heads. SinterCast, Sweden, China Foundry, Vol. 6, No. 3, (8/2009), pp. 241–246[13] Pietrowski S.: Kompendium wiedzy o żeliwie wermikularnym, Krzepnięcie Metali i Stopów, Rocznik 2,

Nr 44, PAN Katowice, 2000, s. 279–292[14] Pytel A., Sękowski K.: Perlitic Vermicular Graphite Cast Iron, International Conference on Advances in

Materials and processing technologies, AMPT 99, Dublin, Ireland, 1999, pp. 1381–1388[15] Pytel A.: Zmęczenie cieplne i przemiana eutektoidalna żeliwa niskostopowego z grafitem

wermikularnym, Międzynarodowa Konferencja Naukowa, pt. Żeliwo sferoidalne XXI wieku, Instytut Odlewnictwa, Kraków, 2003, II/49-II/56

[16] Sjögren T.: Influences of the graphite phase on elastic and plastic deformation behaviour of cast irons, Department of Mechanical Engineering Component Technology – Castings School of Engineering, Jönköping University, 2007

[17] Warrick R.J., Ellis G.G.: Development and application of enhanced compacted graphite iron for the bedplate of the new chrysler 4.7 liter v-8 engine, International Congress and Exposition Detroit, Michigan, March 1–4, 1999

[18] Dawson S., Zhang F.: Compacted graphite iron – a material solution for modern diesel engine cylinder blocks and heads, Proceedings of 69th World Foundry Congress. 16–20 October 2010, Hangzhou China, pp. 0359–0364

[19] Dawson S., Schroeder T.: Practical Applications for Compacted Graphite Iron, AFS Transactions 2004, American Foundry Society, Des Plaines IL USA, pp. 1–9

[20] Nechtelberger E., Puhr H. i in.: Cast Iron with Vermicular/compacted Graphite-State of the Art. Development, Production, Properties, Applications. 49 Kongres Odlewniczy Chicago, 1982, ref. No. 1.

[21] Sternkopf J.: Statische und dynamische Festigkeitseigenschaften von Gusseisen mit Vermiculargraphit. Giessereitechnik, 1985, No. 9

[22] Nechtelberger E. i in.: Stand und Entwicklung von Gusseisen mit Vermiculargraphit Herstellung, Eigenshaften und Anwendung. Giesserei-Praxis, 1982, No. 22

[23] Palmar P.V.: Future of cast metal, Foundry Trade Journal, 1981, 151, No. 3223, p. 574[24] Zakharkenko E.V., Levchenko J. i in.: Otlivkiiz chunguna s sharowidnym vermikularnym grafitom. Kiev.

Naukowa Dumka, 1986[25] Pytel A., Sękowski K.: Struktura i własności wytrzymałościowe niskostopowego żeliwa

wermikularnego., 71th International Scientific Conference, Achievements in mechanical and materials engineering, Gliwice-Zakopane, 1998

[26] Gundel J.: Die Qual der Wahl bei den Werkstoffen für den Kfz. – Motorblock, Konstruieren + Giessen, 2001, No. 1

[27] Röhrig K.: Gusseisen mit Vermiculargraphit – Herstellung, Eigenschaften, Anwendung. Konstruieren + Giessen, 1991, No. 1, pp 7–27

[28] Compacted graphite iron – The high technology iron for the future. Materiały firmy SinterCast. 2000[29] Choong-Hwan Lim, Byeong-Choon Goo: Development of Compacted Vermicular Graphite Cast Iron

for Railway Brake Discs. Met. Mater. Int., 2011, Vol. 17, No. 2, pp. 199-205, doi: 10.1007/s12540-011-0403-x

[30] Wan Renfang, Peng Yuanheng i in.: Research on and experience in the mass production of CGI exhaust manifolds, Foundry Trade Journal, 1994, No. 9, pp. 441–450

| 43

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperatury

Influence of technological parameters on the properties of castings operating in a variable field of temperature

Do badań wykorzystano odlewane płyty podkokilowe (rys. 1) z żeliwa szarego i żeliwa z grafitem wermikularnym, o masie około 4,1 ton używane do odlewania kokil miedzianych. Wytopy żeliwa przeprowadzono w piecu elektrycznym łukowym o wyłożeniu zasadowym, o pojemności 6 ton. Metal spuszczano do kadzi zatyczkowej, również o wyłożeniu zasadowym.

Analizę numeryczną odlewania przeprowadzono dla odlewów wykonywanych z żeliwa szarego oraz wermikularnego. Wykorzystano możliwości programu MAGMAIron, który pozwala na prognozowanie końcowych właściwości odlewu na podstawie zadanych parametrów brzegowych. Moduł MAGMAIron używa kinetycznego modelu wzrostu faz i tworzenia się struktury w skali mikro, co pozwala na uwzględnienie lokalnych właściwości stopu, w tym zmian termofizycznych, szczególnie na granicy frontu krystalizacji w wyniku

Streszczenie

Obliczenianumeryczneodlewaniapłytypodkokilowejmiałynaceluwyznaczeniecharakterystycznychwłaściwościkońcowychodlewuzuwzględnieniemrodzajużeliwa(żeliwoszarezgrafitempłatkowym,żeliwowermikularne). Wprzeprowadzonychobliczeniachokreślanowpływskładuchemicznegożeliwanakońcowewłaściwościodlewu,takiejak:występowanieporowatości,twardośćiwytrzymałość. Przeprowadzonasymulacjaodlewaniapłytzżeliwaszaregoorazzżeliwawermikularnegowykazała,żeprzyzbliżonejzawartościperlituwstrukturzewobuodlewach,wytrzymałośćnarozciąganiepłytzżeliwawermikularnegozwiększyłasięo100%,ze150MPadlażeliwaszaregodo360MPadlażeliwawermikularnego.ZwiększyłsięrównieżmodułYoungaze117GPado160GPa.

Słowakluczowe: odlewżeliwny, płytapodkokilowa, symulacjaodlewania,właściwościwytrzymałościowe,zmiennepoletemperatury

Abstract

Numericalcalculationsmadeforthecastdiebottomplatesaimedatthedeterminationofcharacteristicfinalpropertiesofthecasting,allowingforthetypeofcastironwithflakegraphite(greycastironvsvermiculargraphitecastiron).Theperformedcalculationsincludedtheeffectofthecastironchemicalcompositiononthefinalpropertiesofcastings,suchastheoccurrenceofporosity,hardnessandtensilestrength. Thesimulationoftheprocessofcastingtheplatesfromgreyironandvermiculargraphiteironhasdemonstratedthatwiththesimilarpearlitecontentinthestructureofbothcastings,thetensilestrengthofplatescastfromthevermiculargraphiteironincreasedby100%comparedtothegreycastiron,i.e.from150MPaforthegreycastironto360MPaforthevermiculargraphitecastiron.TheYoung’smodulusalsoincreasedfrom117GPato160GPa.

Keywords:ironcasting,diebottomplate,castingsimulation,mechanicalproperties,variablefieldoftemperature

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

44 |

segregacji pierwiastków. Uwzględnia również: skład stopu, sposób modyfikowania, przemiany fazowe w stanie stałym, wpływ zawartości krzemu na segregację, jak również wpływ głównych składników stopowych na sposób krystalizacji.

Przebieg sferoidyzacji i modyfikacji uwzględniony jest poprzez zadanie przed rozpoczęciem obliczeń parametrów charakteryzujących przebieg procesu.

Tymi parametrami są:• Inoculationmethod, który przyjmuje alternatywnie trzy wartości: fair – słaby proces

modyfikacji, good – dobry proces modyfikacji, verygood – bardzo dobry proces modyfikacji. Inoculationmethod charakteryzuje przebieg procesu modyfikacji. Jest on przyjmowany a prori, a więc rozpoczynając symulację zakłada się, iż metoda modyfikacji będzie dobra lub gorsza. Można jednak na tej podstawie porównać końcowe właściwości żeliwa i ustalić różnicę.

• Treatmentyield, który zadaje się w procentach – świadczy o tym, że wszystkie zarodki były aktywne w procesie zarodkowania grafitu. Przyjęcie 90% świadczy, że 10% zarodków nie było przyczynkiem do tworzenia kulek (nastąpił ich zanik). Można przyjąć wartość powyżej 100%, co ma odwzorowywać, iż jeszcze inne zarodki w ciekłym metalu są zarodkami, na których mogą się tworzyć kulki.

Obliczenia numeryczne odlewania płyty podkokilowej miały na celu wyznaczenie charakterystycznych właściwości finalnych odlewu z uwzględnieniem rodzaju żeliwa (żeliwo szare, żeliwo wermikularne). W przeprowadzonych obliczeniach określano wpływ składu chemicznego żeliwa na właściwości odlewu, takie jak: występowanie porowatości, twardość i wytrzymałość. Analizowano również naprężenia własne w odlewie w stanie wyjściowym, a przed obróbką cieplną. Stałymi parametrami podczas obliczeń były:

• temperatura zalewania – 1250°C,• czas zalewania – 175 s,• zdolność zasilania – 7,• stopień zarodkowania – 100%.

Przedstawione w tabeli 1 składy chemiczne żeliwa szarego są wyznaczone na podstawie następujących danych:

S1 – jest to skład z bazy programu MAGMA dla żeliwa GJL–200,S2 – skład żeliwa pobrany w odlewni LEGMET podczas odlewania płyty,S3 – skład żeliwa pobranego z płyty I użytkowanej w KGHM,S4 – wytypowany skład chemiczny żeliwa do obliczeń,S5 – skład żeliwa pobranego z płyty o oznaczeniu 07/05 użytkowanej w KGHM.Skład chemiczny żeliwa wermikularnego przedstawiono w tabeli 2. Wielkość równoważnika węgla wyznaczonego z zależności: CE = C + 0,31 Si + 0,33 P

Rys.1.Technologiawykonywaniapłytypodkokilowej

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperatury

| 45

Tabela1.Składchemicznyodlewanegożeliwaszarego,%mas.

Oznaczenieskładu C Si Mn P S Cu Cr CES1 3,35 2,05 0,70 0,200 0,100 4,051S2 3,55 1,68 0,95 0,300 0,037 0,51 0,19 4,170S3 3,55 1,70 1,35 0,100 0,037 0,02 0,05 4,110S4 3,75 2,10 0,75 0,017 0,035 1,00 4,407S5 3,94 1,50 1,00 0,100 0,015 0,49 0,17 4,438S6 3,75 1,35 1,10 0,054 0,005 0,61

Tabela2.Składchemicznyodlewanegożeliwawermikularnego,%mas.

Oznaczenieskładu C Si Mn P S Cu Mg

W1 3,73 2,46 0,49 0,028 0,007 0,63 0,010

W2 3,75 2,40 0,47 0,025 0,002 0,62 0,013

Na podstawie danych dostarczonych przez odlewnie, przeprowadzono obliczenie dla poszczególnych składów z uwzględnieniem technologii oraz parametrów odlewania, takich jak temperatura i czas zalewania.

Proces zalewania i krystalizacji

Analizę wyników rozkładu pola temperatury odlewu pokazano na rysunku 2 (a–f). W około 35 sekundzie zalewania metal dociera do końca płyty, odbijając się od jej końca i następuje spokojne podnoszenie się lustra metalu do góry. Temperatura metalu jest w całym odlewie równomierna podczas zalewania.

W celu porównania wpływu składu chemicznego na wielkość porowatości, obliczenia przeprowadzono dla różnych składów żeliwa. W wykonanych badaniach symulacji odlewania pozostałe parametry przyjęto na tym samym poziomie.

Wyniki wykazywanej porowatości przedstawiono na rysunku 3. Najkorzystniejsze warunki do zmniejszenia porowatości uzyskano w obliczeniach dla składu S4. Analiza wyników (rys. 3a–e) przeprowadzona została dla tych samych parametrów początkowych. W przypadku analizy (rys. 3f) założono korzystniejsze warunki do samozasilania, zwiększając liczbę zarodków krystalizacji.

Stan fizykochemiczny ciekłego metalu przed zalaniem wpływa na proces krystalizacji, w tym również na wielkość porowatości w odlewie. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie: sztywnej formy, odpowiednich modyfikatorów lub nieprzetrzymywanie metalu po wermikularyzacji długo w kadzi, aby nie zostały zniszczone już utworzone zarodki. Zwiększenie wartości parametru zarodkowania sprawia, iż porowatość może być bardzo mała, szczególnie dotyczy to obszaru w środkowej części płyty.

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

46 |

e)97szalewania f)148szalewania

Rys.2.Rozkładpolatemperaturypodczaszalewaniaodlewupłyty

a)10szalewania

c)34szalewania

b)25szalewania

d)40szalewania

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperatury

| 47

a)S1

c)S3

b)S2

d)S4

Rys.3.Analizapowstawaniaporowatości(a–f)wodlewiepłyty

e)S5 f)S6

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

48 |

Analiza mikrostruktury i właściwości

Na rysunku 4 przedstawiono rozkład wielkości ziaren eutektycznych w odlewie wykonywanym z żeliwa. Ponieważ przyjęto, iż przygotowanie metalu jest na tym samym poziomie dla wszystkich przeprowadzonych prób, jedynym czynnikiem wpływającym na właściwości jest skład żeliwa. W miarę zwiększania równoważnika węgla obserwuje się tendencję zmniejszania się wielkości ziaren eutektycznych. Będzie się to również wiązało z ich liczbą wydzieleń.

Rys.4.Rozkładwielkościziareneutektycznychwprzekrojuodlewupłyty dlaróżnegoskładuchemicznegożeliwa

4,2

S5

6,3 mm

5,4

S1 S2

5,0

4,6

S3 S4

6,3 mm5,4 mm

5,0 mm 4,6 mm

4,2 mm

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperatury

| 49

1850 µm

1750 µm

2500 µm

1950 µm

2200 µm

S1

S3

S5

S2

S4

Rys.5.Wielkośćwydzieleńgrafitupłatkowegowprzekrojuodlewupłytyzżeliwaszarego

Zwiększenie wielkości równoważnika węgla powoduje zwiększenie wielkości wydzieleń grafitu płatkowego, co przedstawia rysunek 5. Ze względu na wielkość odlewu, w którym dominuje gruba ścianka, szczególnie w środkowej części płyty, czas krzepnięcia jest długi, co zwiększa wzrost wydzieleń grafitu. Oczywiście wpływa to na końcowe właściwości odlewu.

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

50 |

Rys.6.Udziałeutektykigrafitowejwprzekrojupłytyzżeliwaszaregopodczasjegokrystalizacjiistygnięcia

84 %

82 %

89 %

< 100 %

S1

S3

S2

S4

Przedstawione na rysunku 7 minimalne wytrzymałości na rozciąganie w przekroju płyty dla odlewów wykonanych z żeliwa o różnym składzie pokazują, iż końcowe właściwości zależą od składu chemicznego. Wytrzymałość zwiększa się wraz z malejącym równoważnikiem węgla. Jest to związane z mniejszą tendencją do grafityzacji oraz powstawaniem struktury perlitycznej. Dla składu w którym równoważnik węgla jest duży i żeliwo ma skład zbliżony do składu eutektycznego wytrzymałość maleje, gdyż dominuje struktura ferrytyczna. Dodatkowo na właściwości wpływa ilość i wielkość wydzieleń grafitu

Ze zwiększeniem równoważnika węgla (rys. 6), a więc ze zwiększeniem się tendencji do grafityzacji, rośnie udział eutektyki grafitowej zwiększa się i zmniejsza się tendencja do wydzielania austenitu pierwotnego. Przed osiągnięciem temperatury przemiany eutektoidalnej, żeliwo składa się z austenitu i grafitu. W dalszym etapie stygnięcia odlewu i osiągnięciu temperatury eutektoidalnej następuje przemiana austenitu w ferryt oraz wydzielanie grafitu wtórnego. W zależności od udziału austenitu i tendencji do grafityzacji, w końcowym etapie powstaje osnowa metalowa perlityczna, perlityczno-ferrytyczna lub ferrytyczna. W przeprowadzonej analizie dla różnego składu żeliwa widać, iż dla składu S1 struktura będzie perlityczna, natomiast żeliwo o składzie S2 będzie posiadało strukturę perlityczno-ferrytyczną z przewagą perlitu. Skład S5, który posiada duży równoważnik węgla, będzie wykazywał strukturę ferrytyczną-perlityczną z przewagą ferrytu. Określony skład wpływa na końcowe właściwości żeliwa.

84%89%

82% < 100%

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperatury

| 51

(rys. 4, 5). Grafit osłabia strukturę, stąd i wytrzymałość na rozciąganie jest mniejsza. W obszarach występowania pęknięć (rys. 7) wytrzymałość Rm dla składu S2 wynosi około 140 MPa, natomiast dla składu S4 około 105 MPa.

173 MPa

115 MPa

95 MPa

140 MPa

105 MPa

S1

S3

S5

S2

S4

Rys.7.Minimalnawytrzymałośćnarozciąganiewprzekrojupłytypozakrzepnięciuodlewuzżeliwaszarego

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

52 |

Przeprowadzona analiza dotyczy odlewów, które są eksploatowane w warunkach dużych obciążeń cieplnych. Odporność na znaczne zmiany temperatury nie zawsze musi być powiązana z dużą wytrzymałością i twardością odlewu. W krystalizującym i stygnącym w formie odlewie powstają naprężenia cieplne. Wielkość naprężeń cieplnych jest zmniejszana poprzez obróbkę odprężająca. Nieprzeprowadzenie takiego procesu może spowodować, iż pozostające w odlewie naprężenia cieplne będą się sumować z naprężeniami eksploatacyjnymi podczas zalewania płyty miedzią. Wielkość naprężeń cieplnych po odlaniu jest nieduża i maksymalnie wynosi 50 MPa. Jednak są to naprężenia rozciągające i występują na krawędzi odlewu, a więc w obszarze powstawania pęknięć.

Przedstawione wykresy rozkładu temperatury w obszarze przemiany eutektycznej (rys. 8) pokazują, iż wprowadzenie do stopu dodatków sferoidyzujących – w tym przypadku magnezu, wywołuje duży efekt przechłodzenia. Żeliwo wermikularne krystalizuje w niższej temperaturze i przy większym przechłodzeniu od żeliwa z grafitem płatkowym. Dla żeliwa szarego obniżenie temperatury poniżej temperatury równowagowej zawiera się w granicach kilku stopni, natomiast dla żeliwa z dodatkiem magnezu przechłodzenie jest rzędu 200°C. Aby krystalizacja mogła się rozpocząć, procesowi temu musi towarzyszyć zmniejszenie się energii swobodnej układu. Duże przechłodzenie zmniejsza w większym stopniu energię swobodną, a zarazem zmniejszają się odległości pomiędzy blisko uporządkowanymi grupami atomów fazy ciekłej, które są zarodkami krystalizacji homogenicznej.

Rys.8.WykresyrozkładutemperaturywzakresieprzemianyeutektycznejdlaskładuS1(tabela1)iW1(tabela2)

Proces krystalizacji wywołuje wzrost temperatury (rekalescencja), co jest związane z równoczesną krystalizacją grafitu oraz austenitu. Gwałtowne zmniejszenie energii swobodnej układu (duże przechłodzenie) sprzyja powstawaniu grafitu o zwartej budowie i o mniej zaostrzonych krawędziach w porównaniu z grafitem płatkowym w żeliwie szarym oraz grafitu kulkowego. Miernikiem liczby wydzieleń grafitu w postaci kulek w żeliwie wermikularnym jest wartość określana jako stopień wermikularyzacji, wyrażona w procentach. Analiza numeryczna dla analizowanego składu żeliwa wermikularnego przedstawiona w tabeli 2 wykazała, iż wartość stopnia wermikularyzacji wynosi około 24%, co przedstawiono na rysunku 8.

Dla podobnego udziału perlitu w osnowie struktury wynoszącej około 40%, wytrzymałość Rm dla odlewu wykonanego z żeliwa szarego wynosi 140 MPa (rys. 7), natomiast dla żeliwa wermikularnego – 360 MPa (rys. 9). Tak znaczny wzrost wytrzymałości jest głównie efektem postaci grafitu, jaki występuje w żeliwie wemikularnym. W przypadku żeliwa wermikularnego powierzchnia grafitu jest bardzo nieregularna, posiadająca

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperatury

| 53

Rys.9.Udziałperlitu(%)wżeliwiewermikularnympłytypodkokilowejorazwytrzymałośćnarozciąganieRm (MPa)

Udział perlitu 45%

360 MPa

zaokrąglone krawędzie i wraz z wieloma zakrzywieniami i rozgałęzieniami powoduje, iż są one wypełnione dokładnie osnową (ferrytyczno-perlityczną).

Wnioski

• Stosowana technologia zalewania zapewnia spokojne wypełnienie wnęki formy metalem podczas zalewania.

• Największa porowatość występuje w środku płyty we wszystkich rozpatrywanych technologiach i dla wszystkich składów żeliwa.

• Najmniejsza porowatość jest dla składu S4, dla którego równoważnik węgla wynosi 4,407 jest to związane z podwyższoną tendecją do grafityzazji żeliwa.

• Porowatość zmniejsza się jeśli stan fizykochemiczny metalu sprzyja powstawaniu dużej liczby zarodków, między innymi poprzez np. modyfikację.

• Istotne znaczenie dla końcowych właściwości wytrzymałościowych ma stan fizykochemiczny żeliwa. Zwiększenie liczby zarodków zwiększa wytrzymałość.

• Dla składu S1 i S3 jest duża tendencja do powstawania struktury perlitycznej, dla składu S2 – perlityczno-ferrytycznej, natomiast dla składu S4 i S5 – ferrytyczno-perlitycznej.

• Duży moduł cieplny, szczególnie w części środkowej płyty, sprzyja powstawaniu grafitu o dużych rozmiarach. Dla składu S2 wielkość grafitu zawiera się w granicach od 1100 do 2000 µm, natomiast dla składu S4 i S5 – od 3300 do 4000 µm.

• Przeprowadzona symulacja odlewania płyt z żeliwa szarego oraz z żeliwa wermikularnego wykazała, że przy zbliżonej zawartości perlitu w strukturze w obu odlewach, wytrzymałość na rozciąganie płyty z żeliwa wermikularnego zwiększyła się o 100%. Obserwuje się również zwiększenie modułu Younga z 117 GPa do 160 GPa, co korzystnie wpłynie na parametry eksploatacyjne odlewu poddawanego cyklicznym zmianom temperatury.

54 |

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

Modern test equipment used in the melting technology of cast iron resistant to thermal fatigue

Wprowadzenie

Odlewy z żeliwa, pracujące w warunkach dynamicznych zmian temperatury i naprężeń, narażone są na szybkie zużycie wskutek koncentracji naprężeń, inicjacji i propagacji pękania materiału po przekroczeniu jego wytrzymałości w miejscach nieciągłości, takich jak: wtrącenia niemetalowe i wady wewnętrzne pochodzenia skurczowego lub gazowego. Dlatego istotną rolę pełni system kontroli parametrów prowadzonego procesu metalurgicznego, dający dokładny obraz procesu i umożliwiający wprowadzenie korekty, dla uzyskania założonego składu chemicznego, struktury i właściwości tworzywa i eliminujący możliwość pojawienia się niekorzystnych postaci wtrąceń niemetalowych i wad wewnętrznych w odlewach.

W krajowych odlewniach żeliwa, system kontroli i sterowania jakością jest oparty na oznaczaniu składu chemicznego stopu – w kolejnych etapach procesu metalurgicznego za pomocą spektrometru emisyjnego. Na podstawie uzyskanych wyników, najczęściej zawartości podstawowych pierwiastków, takich jak: C, Si, Mn, P, S, osoba prowadząca wytop ocenia potrzebę i wielkość ewentualnej korekty składu chemicznego lub decyduje o przejściu do realizacji kolejnego zabiegu procesu. Pojedyncze oznaczenie składu chemicznego trwa około 5–10 min, co znacznie wydłuża proces, a uzyskana zawartość podstawowego składnika – jakim jest węgiel, jest zazwyczaj obciążona znacznym błędem.

Streszczenie

W poniższej pracy przedstawiono opisy i zasady działania nowoczesnej aparatury służącej do kontroli procesu metalurgicznego żeliwa, szczególnie poddanego obróbce magnezem, umożliwiającej uzyskanie w sposób zadowalający i ekonomiczny wysokiej jakości odlewów o założonej mikrostrukturze i wolnych od wad, zapewniającej długotrwałą eksploatację, również w warunkach zmęczenia cieplnego.

Słowa kluczowe: żeliwo, pomiary, wodór, aktywność tlenu, kontrola procesu metalurgicznego

Abstract

The study presents the description and principles of operation of modern equipment used in control of the cast iron metallurgical process, especially as regards magnesium-treated cast iron, the use of which allows obtaining, in a reliable and economical way, high quality castings with the required structure free from defects, ensuring long-term performance, even under the conditions of thermal fatigue.

Key words: cast iron, measurements, hydrogen, oxygen activity, control of metallurgical process

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

| 55

W praktyce odlewniczej stwierdzono jednoznacznie, że podstawowy skład chemiczny stopu nie jest wystarczający do pełnej kontroli procesu metalurgicznego i nie daje pewności uzyskania zdrowego odlewu o zakładanych właściwościach mechanicznych, gdyż nie uwzględnia zawartości szeregu pierwiastków rezydualnych i śladowych, w tym gazów – szczególnie tlenu, jak też obecności szeregu złożonych produktów reakcji, które – będąc zarodkami krystalizacji i wzrostu wydzieleń grafitu, w znaczącym stopniu wpływają na proces krzepnięcia. Z uwagi na konieczność skrócenia procesu produkcyjnego, przy zapewnieniu wysokiej jakości odlewów, zamiast tradycyjnych metod kontroli jakości ciekłego żeliwa, propagowane jest zastosowanie nowoczesnej aparatury pozwalającej na ocenę stanu fizykochemicznego wytapianego żeliwa w bardzo krótkim czasie i prognozowanie właściwości samego tworzywa, jak i wytworzonych odlewów (struktura osnowy, parametry stereologiczne grafitu, wytrzymałość, twardość, skłonność do tworzenia jam skurczowych i porowatość).

Takie wymagania może spełnić, zakupiona przez Instytut Odlewnictwa aparatura najnowszej generacji do badań właściwości żeliwa:

• system pomiaru zawartości wodoru w ciekłym metalu (żeliwie i w stali) – Hydris®.Net,

• system do pomiaru aktywności tlenu w ciekłym metalu Celox®.Foundry z miernikiem Multi-Lab III CF może być również stosowany dla ciekłego metalu (stali); oba firmy Heraeus Electro-Nite,

• adaptacyjny system analizy termicznej ATAS® (firmy NovaCast).

Pomiary zawartości wodoru w żeliwie

Wodór w żeliwie jest czynnikiem bardzo szkodliwym, gdyż wskutek małej gęstości i bardzo niskiej rozpuszczalności w stopach żelaza w stanie stałym, nawet niewielka jego ilość rozpuszczona w ciekłym żeliwie podczas krystalizacji jest wydzielana, powodując szereg wad odlewniczych, jak: pęknięcia międzykrystaliczne, zabielenie odwrotne, nakłucia. W przypadku występowania powyższych wad, niezbędne jest określenie źródła tego gazu. Bardzo pomocna w jego eliminacji jest możliwość precyzyjnego pomiaru już w stanie ciekłym. System pomiarowy, spełniający wymagania współczesnego procesu produkcji żeliwa, został opracowany przez firmę Heraeus Electro-Nite i znany jest pod nazwą Hydris®.Net. Służy on do pomiaru zawartości wolnego wodoru w metalach w stanie ciekłym, przy użyciu jednorazowych próbników Hydris i specjalnej lancy zanurzeniowej, z wykorzystaniem czystego azotu jako gazu nośnego.

Rys. 1. System pomiarowy Hydris®.Net Rys. 2. Schemat ideowy systemu pneumatycznego Hydris [1]

M. Kuder

56 |

Podstawowe elementy składowe systemu pomiarowego Hydris®.Net (rys. 1):• jednostka procesorowa – komputer panelowy klasy PC z ekranem dotykowym, steruje

pracą jednostki pneumatycznej oraz wyświetla wyniki pomiarów;• jednostka pneumatyczna – układ dla cyrkulacji gazu nośnego i pomiaru zawartości

wodoru;• przewód pneumatyczny, specjalnej konstrukcji, łączący lancę pomiarową z jednostką

pneumatyczną;• lanca pneumatyczna do zanurzania czujnika w kąpieli metalowej i stanowiąca element

cyrkulacji gazu nośnego;• próbnik jednorazowy;• butla z gazem nośnym (azotem o wysokiej czystości) zaopatrzona w reduktor.

System Hydris.Net określa zawartość wodoru metodą pomiaru ciśnienia cząstkowego wodoru w gazie nośnym, w stanie równowagi. Gaz nośny (azot) jest przemieszczany pomiędzy kąpielą metalową a jednostką pneumatyczną i pochłania wodór z ciekłego metalu (rys. 2). Po osiągnięciu równowagi pomiędzy stężeniem wodoru w kąpieli metalowej i gazie nośnym, pomiar zostaje zakończony. Ciśnienie cząstkowe wodoru mierzone jest przez czujnik przewodności cieplnej TDC. Zmierzona zawartość wodoru zostaje obliczona wg prawa Sieverta (i jest wyświetlona na ekranie jednostki procesorowej):

,

gdzie: pH2 = ciśnienie cząstkowe wodoru, hPa,

K = stała równowagi reakcji zależna od temperatury, można ją obliczyć z zależności: log K(T) = -1900/T + 0,9201 (przy czym temperatura T jest w K),f = współczynnik aktywności wodoru zależny od stężenia pierwiastków w kąpieli i dla stopów żelaza z węglem (staliwo lub żeliwo) można go obliczyć z zależności: log f = 0,06 × %C – 0,0022 × %Cr – 0,0014 × %Mn – 0,0023 × %Nb – 0,0016 × %Ni + 0,023 × %Si – 0,019 × %Ti + 0,0022 × %Mo – 0,0074 × %V + 0,0018 × %Co.

W trakcie etapu „Pomiar” na ekranie jednostki procesorowej wyznaczany jest wykres zmian zawartości azotu i wodoru. Po zakończeniu pomiaru wyświetlany jest wykres z danymi parametrami pomiaru i wynikiem pomiaru, jako wartość równowagowa: Equ w ppm. Wyniki pomiarów są zapisywane w pamięci wewnętrznej panelu procesorowego. Cały pomiar trwa około 2 min. Przycisk „Historia” uruchamia wyświetlanie tabeli z wszystkimi wynikami dotychczasowych pomiarów łącznie z numerem, datą i czasem wykonania, umożliwiając identyfikację każdego pomiaru (wytopu). Każdy wynik pojedynczego pomiaru lub interesujący zestaw wyników może być wydrukowany lub wyeksportowany jako raport z badań w postaci plików w formacie pdf.

Na rysunkach 3–6 pokazano sposób przeprowadzania pomiarów.

(1)

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

| 57

Rys. 3. Pomiar zawartości wodoru w ciekłym metalu w warunkach Zakładu Stopów Żelaza Instytutu

Odlewnictwa

Rys. 4. Pomiar zawartości wodoru w warunkach przemysłowych

Rys. 5. Widok jednostek: procesorowej i pneumatycznej systemu Hydris.Net po

zakończeniu pomiaru

Rys. 6. Forma zapisywania wyników wybranego pomiaru na tle ekranu szczegółów wybranego

pomiaru

Pomiar aktywności tlenu w ciekłym żeliwie

Coraz częściej zwraca się uwagę na rolę tlenu w procesie krystalizacji żeliwa i nie dotyczy to tylko jego szkodliwego oddziaływania, przy powstawaniu wtrąceń niemetalowych oraz wad w postaci pęcherzy gazowych, czy nakłuć. Stwierdzono mianowicie silny wpływ zawartości tego gazu na kształtowanie się struktury żeliwa, i to zarówno osnowy metalowej, jak i postaci grafitu. Dotyczy to w szczególności tej części tlenu, która pozostaje aktywna w kąpieli w zakresie temperatury metalurgicznej. Od lat 90. XX wieku, firma Heraeus Electro-Nite oferuje system pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie Celox®.Foundry z użyciem jednorazowych czujników, instalowanych na specjalnej lancy wibracyjnej. Po opracowaniu w 2005 r. nowego czujnika CF-Nod, o bardzo wysokiej czułości (rzędu 0,001 ppm = 1 ppb) i nowej elektromagnetycznej lancy wibracyjnej, dającej bardzo wysoką powtarzalność wyników pomiarów, możliwe stało się zastosowanie, do żeliwa poddanego obróbce stopami magnezu, tj. po zabiegu sferoidyzowania i wermikuralyzowania.

M. Kuder

58 |

Obecnie prowadzone są próby sterowania procesem metalurgicznym wszystkich rodzajów żeliwa przy wykorzystaniu tej aparatury. Podstawą są zależności ustalone przez F. Seutensa i przedstawione na rysunkach 7 i 8, wiążące postać wydzieleń grafitu i niektóre właściwości żeliwa z tlenem aktywnym (tzw. wolnym) w ciekłym metalu bezpośrednio przed zalewaniem form. Badania te były prowadzone przy użyciu ww. aparatury. Dane podane na rysunkach należy traktować jako przykładowe; dla warunków konkretnej odlewni, stosowanej technologii i produkowanych gatunków żeliwa, należy przygotować, w oparciu o serię pomiarów i badań materiałowych, własne zależności i wykresy.

Aktywność tlenu rozpuszczonego w kąpieli określana jest przez pomiar siły elektromotorycznej odpowiednio dobranego ogniwa stężeniowego, stanowiącego zasadniczy element czujnika Celox. Drugim składnikiem jest termoelement Pt/PtRh10 do pomiaru temperatury kąpieli.

Pomiar aktywnego tlenu bazuje na użyciu ogniwa stężeniowego z tlenkiem cyrkonu jako stałego elektrolitu i mieszanki Cr + Cr2O3, jako elektrody odniesienia. Z uwagi na różnicę tlenu aktywnego na obu stronach stałego elektrolitu, powstaje siła elektromotoryczna EMF. Wynikowa aktywność tlenu jest obliczana wg poniższej formuły:

gdzie:

E – siła elektromotoryczna ogniwa stężeniowego EMF, mV,T – temperatura kąpieli, K.

Dla celów porównawczych, wartość końcowa zawartości aktywnego tlenu jest przeliczana dla stałej wartości temperatury 1420°C i oznaczana jako ao w ppb (parts per bilion; 1 ppm = 1000 ppb).

Rys. 7. Typowe zawartości tlenu w różnych rodzajach żeliwa [3]

Rys. 8. Wpływ aktywnego tlenu na wydłużenie żeliwa i skłonność do powstania makroporowatości

w odlewach [3]

System bezpośredniego pomiaru tlenu aktywnego Celox-Foundry (rys. 9), złożony jest z następujących elementów:

• przyrządu Multi-Lab III CF,• elektrycznej lancy wibracyjnej, • czujnika jednorazowego Celox-Foundry (CF-Nod),• zasilacza,• przewodu sygnałowo-zasilającego.

(2)

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

| 59

Rys. 9. System pomiarowy Celox-Foundry

W trakcie pomiaru, na ekranie przyrządu Multi-Lab II CF wykreślany jest wykres przebiegu pomiaru tlenu i temperatury. Po zakończeniu pomiaru wyświetlany jest kompletny wykres z danymi parametrami pomiaru i wynikiem pomiaru: temperatury kąpieli, siły elektromotorycznej Emf, aktywności ao i bo (lub w innym trybie wyświetlania, tylko wyniki cyfrowe). Cały cykl pomiarowy trwa kilkadziesiąt sekund. Wyniki pomiarów są zapisywane w pamięci wewnętrznej przyrządu i stanowią archiwum. W skład zestawu wyników wchodzą:

• temperatura żeliwa w momencie pomiaru,• wartość wskaźnika Emf,• aktywność tlenu w temperaturze pomiaru – bo w ppm,• aktywność tlenu w temperaturze odniesienia, tj. 1420°C – ao w ppb,• wykres przebiegu pomiaru,• elementy identyfikacji wytopu (czas pomiaru, miejsce i numer wytopu).

Dane zapisane w przyrządzie mogą być przeglądane na ekranie przyrządu Multi-Lab II CF lub przenoszone do komputera poprzez sieć wewnętrzną LAN i przekonwertowane na formę umożliwiającą wydruk lub zapis w formie tekstowej wyników pojedynczego pomiaru lub wybranego zestawu pomiarów, do zewnętrznych edytorów, jak Excel czy Word; wykresy można zapisać w formacie bitmapa.

Na rysunkach 10–13 przedstawiono etapy przeprowadzania pomiarów tlenu aktywnego.

Rys. 10. Pomiar aktywnego tlenu systemem Celox-Foundry w Zakładzie Stopów Żelaza

Rys. 11. Pomiar aktywnego tlenu w warunkach przemysłowych

M. Kuder

60 |

Rys. 12. Tryby wyświetlania wyników pomiarów: graficzny i cyfrowy

Rys. 13. Zrzut ekranu komputera z danymi przeniesionymi z pamięci przyrządu Multi-Lab

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa na drodze analizy termicznej

Tradycyjnym wskaźnikiem metalurgicznego stanu żeliwa sferoidalnego jest tzw. równoważnik węgla, obliczany ze składu chemicznego wg formuły: CE = Cc + 0,3(Si + P) i porównanie go z punktem eutektycznym, o przyjmowanej wartości 4,26%, w którym powinno się uzyskać krzepnięcie w pełni eutektyczne, tj. bez wydzieleń austenitu lub grafitu pierwotnego, przy krystalizacji żeliwa bez skłonności do zabieleń. W wielu odlewniach stosowana jest również aparatura do badania krzywej krystalizacji i stygnięcia żeliwa, stanowiąc podstawowe lub uzupełniające (obok spektrometru) narzędzie do kontroli jakości ciekłego metalu (żeliwa). Aparaty tego typu najczęściej podają takie dane, jak: maksymalna temperatura pomiaru, eutektyczny równoważnik węgla, zawartość węgla i krzemu, temperatura likwidus i solidus, przechłodzenie; czasem również, dla żeliwa szarego, wytrzymałość i twardość. Firma NovaCast Foundry Solutions AB opracowała zaawansowany system pomiarowo-analityczny ATAS® (adaptacyjny system analizy termicznej), który służy do wyznaczania charakterystycznych punktów na krzywej krystalizacji i stygnięcia wszystkich rodzajów żeliwa. Porównuje je z optymalnymi parametrami, znajdującymi się w bazie danych programu, generuje ocenę jakości metalurgicznej stopu, prognozuje możliwości powstania wad typu skurczowego, jak również podaje ewentualne środki

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

| 61

zaradcze. Dodatkowy panel “ATAS Ductile” sprawia, że w przypadku żeliwa z zawartością magnezu (sferoidalnego, wermikularnego), na ekranie pomiarowym wyświetlane są wytyczne ewentualnej korekty składu chemicznego oraz skorygowane parametry obróbki zaprawą magnezową (przewodem magnezowym lub miszmetalem) i modyfikatorem, które pozwalają w sposób ekonomiczny uzyskać optymalne właściwości żeliwa zalewanego do form oraz zdrowe, wolne od wad odlewy.

System ATAS (rys. 14), w trakcie krystalizacji próbki wytapianego stopu w kubku pomiarowym, dokonuje identyfikacji charakterystycznych punktów krzywej, określa ich wartości i porównuje je z zadanymi wartościami „progowymi”, znajdującymi się w bazie danych dla określonego rodzaju i typu żeliwa.

Rys. 14. Sposób ustalania niektórych punktów krzywej krzepnięcia przez ATAS [5]

Parametry krzywej krzepnięcia określane systemem ATAS: TL, TES, dT/dt TES, TElow, TEhigh, Rśr, R, C/s, max. szybkość R, C/s, TL-Ted, TS, GRF 1, GRF 2, austenit pierwotny, grafit pierwotny, S1, S2, S3, wskaźnik utleniania, TE szare, przechłodzenie TEsz-Ted, TEbiałe, dT/dt TS, ACEL, TEP, C, wskaźnik jakości metalurgicznej MQ. Przebieg krzywej krzepnięcia i pochodnych, wartości punktów charakterystycznych i inne parametry określone przez program ATAS, jak też ocena jakości metalurgicznej stopu, wyjaśnienia i porady są automatycznie zapisywane w pamięci komputera w folderze głównym programu. Wyniki te mogą być przeglądane i analizowane indywidualnie dla każdej próbki (wytopu) lub zbiorczo, po wyeksportowaniu do innego programu, np. Excela.

Wszystkie wyniki pomiarów tworzą archiwum danych, a dzięki wbudowanej w system funkcji uczenia się z elementami statystyki, mogą być wykorzystane do zawężania wartości granicznych w istniejących stopach odniesienia lub też do poszerzania ilościowego bazy danych dla stopów odniesienia o nowe rodzaje lub typy żeliwa i określenie dla nich wartości granicznych.

W tabeli 1 przedstawiono wartości niektórych parametrów z krzywej krystalizacji i stygnięcia określone systemem ATAS.

M. Kuder

62 |

Tabela 1. Typowe wartości niektórych parametrów żeliwa z krzywej krystalizacji i stygnięcia określone systemem ATAS [4]

Parametr Żeliwo szare Żeliwo wyjściowe do sferoidyzacji Żeliwo sferoidalne

TElow, °C 1135–1155 > 1145 1135–1150

R, °C 3–8 < 8 1–5

GRF 1 40–80 > 80 70–120

GRF 2 15–35 < 35 35–60

TS, °C 1100–1125 < 1105 1080–1105

S1 Zależnie od gatunku (wytrzymałości)

0–5 (zależnie od grubości ścianki)

Rys. 15. Zdjęcie aparatu ATAS

W momencie zalania próbnika, w oknie pomiarowym danego kanału wykreślany jest wykres obrazujący zmianę temperatury w czasie stygnięcia próbki (rys. 16 i 17), a na bocznej planszy wyświetlane są na bieżąco określone parametry charakterystycznych punktów krystalizacji żeliwa. Możliwe jest prowadzenie czterech równoległych pomiarów. Po zakończeniu każdego pomiaru, krzywa krzepnięcia i wyniki obliczeń (parametry cieplne mogą być użyte do dalszej analizy porównawczej i optymalizacyjnej), wygenerowana

System adaptacyjnej analizy termicznej ATAS złożony jest z elementów (rys. 15): • komputera przenośnego z zainstalowanym programem – podstawą systemu jest

program komputerowy ATAS Verifier 7.2, • przetwornika analogowo-cyfrowego z wejściem 4-kanałowym, • stojaka dwugniazdowego,• typowych kubkowych próbników pomiarowych Quik-Cup – produkcji Heraeus

Elektro-Nite.

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

| 63

ocena jakości, prognoza powstania wad w odlewach i propozycje środków zaradczych są automatycznie zapisywane w plikach z danymi identyfikacyjnymi (nazwa, czas itp.) i umieszczane w folderach miesięcznych. Pomimo, iż system ATAS nie posiada w bazie danych parametrów charakterystycznych punktów krzywej krystalizacji i stygnięcia żeliwa wermikularnego, istnieją możliwości samodzielnego uzupełnienia tego braku w oparciu o zbudowane algorytmy analizy krzywej krzepnięcia żeliwa sferoidalnego, na drodze odpowiednio licznej serii wytopów, pomiarów i badań metaloznawczych i defektoskopowych.

Wyniki każdego pomiaru można odtwarzać poprzez uruchomienie trybu przeglądania przez kliknięcie nazwy pomiaru (wytopu) zapisanego w folderze miesięcznym, co uruchamia okno wyników i umożliwia przechodzenie do kolejnych okien, jak: oceny, pochodnych, ryzyka i objaśnień. Wybrane dane w postaci liczbowej, gromadzone w pamięci, mogą być wykorzystane wewnątrz systemu ATAS poprzez funkcję „uczenia się” do opracowania i zawężania zakresów wartości interesujących parametrów, pozwalających na optymalizację procesu metalurgicznego produkowanych odlewów lub też wyeksportowane do innych edytorów, np. do programu Microsoft Excel dla prowadzenia analizy wyników innymi metodami niż te zabudowane w systemie ATAS.

Na rysunkach 18–21 przedstawiono ekrany programu ATAS z niektórymi przykładowymi wynikami.

Rys. 16. Kubki Quik-Cup podczas analizy krzepnięcia systemem ATAS

Rys. 17. Ekran programu ATAS z krzywymi krystalizacji i stygnięcia; jedną kompletną i drugą

w trakcie wykreślania

Rys. 18. Okno wyników programu ATAS z krzywą krystalizacji i stygnięcia oraz niektórymi

parametrami żeliwa

Rys. 19. Okno oceny programu ATAS z niektórymi parametrami żeliwa, wytycznymi korekty składu

i parametrami sferoidyzacji metalu

M. Kuder

64 |

Rys. 20. Okno pochodnych programu ATAS z pochodnymi krzywej krystalizacji i stygnięcia oraz kilkoma obliczonymi parametrami badanego żeliwa

Rys. 21. Przykład oceny przygotowania metalu przez system ATAS (okno Ryzyko + Objaśnienia)

System ATAS Verifer, szczególnie z panelem „Ductile” jest bardzo użytecznym narzędziem w zakresie przygotowywania procesu metalurgicznego żeliwa oraz w kontroli, a nawet sterowaniu procesem produkcyjnym w odlewni, gdyż umożliwia:

• wybór optymalnych rodzajów, jakości oraz ilości zapraw i modyfikatorów;• optymalizację procesów topienia i obróbki pozapiecowej, w tym wielostopniowej

modyfikacji żeliwa sferoidalnego i obniżenie kosztów tych zabiegów;• kontrolę i poprawę jakości metalurgicznej żeliwa wyjściowego i końcowego

w codziennej produkcji;• obniżenie liczby braków przez wyeliminowanie wad typu skurczowego w odlewach.

Uwagi końcowe

Dotychczasowe badania przeprowadzone w Instytucie Odlewnictwa przy użyciu przedstawionej powyżej aparatury, między innymi w ramach będącego przedmiotem promocji projektu pt.: „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne”, pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:

• Istnieje możliwość precyzyjnej kontroli jakości ciekłego żeliwa i przewidywanie właściwości wyprodukowanych odlewów, w tym pracujących w warunkach wstrząsów cieplnych w oparciu o przedstawione systemy pomiarowe, jednak precyzja tych metod jest bezpośrednio związana z wielkością bazy danych, powstającej w wyniku bieżącej analizy danych pomiarowych i równolegle prowadzonych laboratoryjnych badań materiałowych.

• Pomiar zawartości wodoru za pomocą systemu Hydris®.Net w ciekłym metalu pozwala na wczesne rozpoznanie zagrożenia powstania wad typu gazowego w odlewach, w momencie gdy jeszcze jest możliwość ingerencji w proces metalurgiczny i uniknięcia skutków dużej zawartości tego gazu w metalu.

• Pomiar tlenu aktywnego w ciekłym żeliwie pozwala na stosunkowo bardzo szybkie i proste określenie mikrostruktury i skłonności żeliwa do powstania niektórych wad typu skurczowego, przy czym użyteczność tej metody do sterowania procesem metalurgicznym wymaga posiadania bazy danych stworzonej w konkretnych warunkach danej odlewni; stosowanej technologii otrzymywania żeliwa, produkowanych gatunków żeliwa i asortymentu odlewów.

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne

| 65

• System ATAS może służyć do badań procesu sferoidyzacji i modyfikacji różnych gatunków żeliwa, jak też do sterowania całym procesem metalurgicznym w odlewni; warunkiem jest precyzyjne określenie zakresu wartości istotnych, charakterystycznych parametrów żeliwa w zbudowanej bazie danych produkowanych gatunków.

Literatura

[1] Materiały informacyjne firmy Heraeus Electro-Nite System pomiarowy Hydris®.Net. Bezpośredni pomiar zawartości wolnego wodoru

[2] Heraeus Electro-Nite, Hydris.Net. Instrukcja obsługi i eksploatacji. W. 1.0. 25.04.2009[3] Materiały informacyjne firmy Heraeus Electro-Nite: „Celox®.Foundry. Bezpośredni pomiar aktywności

tlenu w żeliwie”, „Celox®.Foundry. Pomiar aktywności tlenu w płynnym żeliwie”, „Czujnik Celox® Foundry. Pomiar aktywności tlenu w płynnym żeliwie”

[4] Seutens F.: Industrial applications of the oxygen activity measurement in cast iron. 4° Congreso Latinoamericano de Fundicion, Buenos Aires, 27 October 2010

[5] ATAS Adaptacyjny System Analizy Termicznej. Przewodnik Użytkownika. Nova Cast Foundry Solutions AB 2009

[6] Charakterystyka systemu ATAS (Zaawansowanej analizy termicznej), Materiały szkoleniowe firmy NovaCast Foundry Solutions

66 |

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa z grafitem wermikularnym w oparciu o pomiar tlenu aktywnego i wybrane parametry krzywej krystalizacji i stygnięcia

Evaluation of the vermicular graphite cast iron metallurgy based on the measurement of oxygen activity and selected parameters of the cooling curve

Wstęp

Tradycyjnie, wszelkie elementy maszyn i urządzeń, pracujące w warunkach zmian temperatury, również o charakterze wstrząsów cieplnych, takie jak osprzęt stalowniczy, kokile, formy szklarskie, korpusy i głowice silników spalinowych (szczególnie wysokoprężnych), wykonywano z żeliwa szarego (z grafitem płatkowym) o osnowie ferrytyczno-perlitycznej. Przy czym dla stabilizacji struktury, szczególnie w odlewach o grubszych ściankach, stosowano niewielkie zawartości pierwiastków stabilizujących perlit, jak miedź i cynę. W ostatnim czasie, ujawniły się silne tendencje do podwyższania sprawności i wydajności tego typu urządzeń. W przypadku silników spalinowych, zarówno benzynowych, jak i dieslowskich, przez zastosowanie turbodoładowania, zwiększającego ciśnienie robocze, właściwości wytrzymałościowe żeliwa szarego okazały się niewystarczające.

Streszczenie

Celem prowadzonych badań było określenie możliwości zastosowania nowoczesnych metod pomiarowych do kontroli i sterowania procesem metalurgicznym żeliwa wermikularyzowanego stopami magnezowo-cerowymi dla uzyskania grafitu wermikularnego. Podczas realizacji projektu, wykonano szereg wytopów żeliwa z obróbką stopem SiMgCe i modyfikatorem, dokonując pomiarów systemami Celox®-Foundry i ATAS. Przeprowadzono również badania chemiczne i metalograficzne. Stwierdzono możliwości zastosowania ww. aparatury w procesie produkcyjnym każdego rodzaju żeliwa, pod warunkiem stworzenia własnej bazy danych, zawierającej zoptymalizowane parametry produkowanych gatunków żeliwa.

Słowa kluczowe: żeliwo wermikularne, aktywność tlenu, krzywa krzepnięcia, Celox®-Foundry, ATAS, sterowanie procesem metalurgicznym

Abstract

The aim of the study was to determine the possibility of using modern measurement methods to control the cast iron metallurgy for treatment with magnesium-cerium alloys to obtain vermicular graphite. For the project implementation, several cast iron melts were made, carrying out treatment with an SiMgCe alloy and complex inodulant, and taking measurements with CELOX®-Foundry and ATAS systems. Chemical analysis and metallographic examinations were also conducted. The applicability of the above mentioned equipment in the production process of each type of the cast iron has been confirmed, provided an own database with optimised parameters of the cast iron grades produced is created.

Key words: vermicular graphite cast iron, oxygen activity, solidification curve, Celox®-Foundry, ATAS, control of metallurgical process

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa z grafitem wermikularnym w oparciu o pomiar tlenu aktywnego.....

| 67

Szeroko prowadzone badania spowodowały zastosowanie żeliwa wermikularnego, z którego wykonane elementy urządzeń cieplnych wykazują znacznie wyższą trwałość eksploatacyjną w tych trudnych warunkach niż zwykłe żeliwo szare z grafitem płatkowym [1]. Jednak uzyskanie równomiernej struktury w całej objętości odlewu, szczególnie o silnie zróżnicowanej grubości ścianek, jest bardzo trudne, gdyż „okno” powstawania grafitu wermikularnego w żeliwie podczas krzepnięcia jest bardzo wąskie. Istnieje wiele metod otrzymywania żeliwa z grafitem wermikularnym, jednak każda z nich wymaga utrzymania parametrów żeliwa wyjściowego, obróbki zmieniającej stan fizykochemiczny stopu oraz warunków transportu i zalewania form w bardzo wąskich granicach.

Wprowadzenie

W przypadku rodzajów żeliwa, poddawanych obróbce zmieniającej stan fizykochemiczny ciekłego stopu, szczególnie sferoidalnego i wermikularnego, oznaczanie składu chemicznego i temperatury wymaga stosunkowo dużego nakładu czasu i nie daje pełnego obrazu jego stanu fizykochemicznego. Między innymi nie uwzględnia stopnia utlenienia; tlen zawarty w kąpieli powoduje zgar wprowadzanych aktywnych składników zapraw. Przy stosowaniu stałych parametrów obróbki, nie zawsze otrzymuje się efekty zgodne z oczekiwanymi. Różnice dotyczą przede wszystkim postaci i rozłożenia wydzieleń grafitu, które mają znaczący wpływ na właściwości żeliwa.

Przeprowadzone badania udowodniły ścisły związek przebiegu krzywej krystalizacji i stygnięcia żeliwa, położenia charakterystycznych punktów tej krzywej z właściwościami odlewniczymi żeliwa, takimi jak: skurcz, skłonność do tworzenia obciągnięć, jam skurczowych, porowatości, jak również powstałą strukturą po zakrzepnięciu w formie odlewniczej, a szczególnie parametrami stereologicznymi wydzieleń grafitu (postać, ilość, rozmieszczenie) i właściwościami mechanicznymi.

Podobnych obserwacji dokonano również w przypadku pomiaru zawartości tlenu aktywnego w ciekłym metalu (żeliwie) poddanym obróbce stopami magnezu. Im niższa zawartość tego pierwiastka w ciekłym metalu, tym większa tendencja do tworzenia zwartych i sferoidalnych postaci grafitu [4, 5, 6]. Podstawą są zależności ustalone przez F. Seutensa [7] i przedstawione na rysunkach 2 i 3, wiążące postać wydzieleń grafitu i wydłużenie oraz skłonność do tworzenia makroporowatości żeliwa od zawartości tlenu aktywnego w ciekłym metalu, zmierzonym bezpośrednio przed zalewaniem form. Istotnym czynnikiem, mogącym zmieniać to oddziaływanie jest zawartość siarki w kąpieli.

W celu przyspieszenia procesu metalurgicznego otrzymywania żeliwa oraz ustabilizowania jego jakości, podjęto próby zastosowania nowych metod pomiarowych zamiast tradycyjnych lub jako ich uzupełnienie do bieżącej oceny jakości produkowanego stopu, lub nawet sterowania procesem metalurgicznym. Metody te stosunkowo szybko (np. pomiar tlenu aktywnego trwa kilkanaście sekund) pozwalają w przypadku wykrycia jakichkolwiek nieprawidłowości, na ingerencję i wyeliminowanie partii odlewów z wadami, które musiałyby być poddane wybrakowaniu. Zasadniczo badania i próby zastosowania skupiały się na procesie otrzymywania żeliwa sferoidalnego.

Firma NovaCast Foundry Solutions AB opracowała zaawansowany system pomiarowo-analityczny ATAS® (adaptacyjny system analizy termicznej), który w trakcie krystalizacji i stygnięcia próbki wytapianego żeliwa w kubku pomiarowym, dokonuje identyfikacji charakterystycznych punktów na krzywej krzepnięcia. Porównuje z optymalnymi parametrami, znajdującymi się w bazie danych programu, generuje ocenę jakości metalurgicznej stopu, prognozuje możliwości powstania wad typu skurczowego, jak również podaje ewentualne środki zaradcze. Dodatkowy panel “ATAS Ductile” sprawia, że w przypadku żeliwa obrabianego magnezem (sferoidalnego, wermikularnego), na ekranie pomiarowym wyświetlane są wytyczne ewentualnej korekty składu chemicznego oraz

M. Kuder, A. Pytel

68 |

skorygowane parametry obróbki zaprawą (przewodem magnezowym lub miszmetalem) i modyfikatorem, które umożliwiają w sposób ekonomiczny uzyskać optymalne właściwości żeliwa zalewanego do form i „zdrowe”, wolne od wad odlewy.

Firma Heraeus Electro-Nite oferuje system pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie Celox®-Foundry [8] z użyciem jednorazowych czujników, instalowanych na specjalnej lancy wibracyjnej. Zawartość tlenu aktywnego rozpuszczonego w kąpieli określana jest przez pomiar siły elektromotorycznej odpowiednio dobranego ogniwa stężeniowego, stanowiącego zasadniczy element czujnika CF-Nod.

Drugim składnikiem jest termopara Pt/PtRh10, do dokładnego pomiaru temperatury kąpieli. Dzięki wysokiej czułości, rzędu 1 ppb = 0,0001 ppm, i wysokiej powtarzalności wyników, możliwe stało się zastosowanie do żeliwa poddanego obróbce stopami magnezu, tj. sferoidalnego i wermikularnego.

Poniżej przedstawione zostaną próby zastosowania ww. aparatury: systemu adaptacyjnej analizy krzywej krzepnięcia ATAS® oraz systemu Celox®-Foundry z przyrządem Multi-Lab III CF do procesu produkcji żeliwa wermikularnego.

Dokładny opis budowy oraz zasad prowadzenia pomiarów, przedstawiono w poprzednim rozdziale: M. Kuder: „Nowoczesna aparatura badawcza w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplne”.

Procedura badań

Realizacja badań skupiła się na przeprowadzeniu szeregu wytopów żeliwa wermikularnego o zróżnicowanej osnowie i postaci grafitu, przeprowadzeniu zaplanowanych pomiarów i badań w dwu etapach procesu metalurgicznego: po uzyskaniu żeliwa wyjściowego (bazowego – b) i po przeprowadzonych zabiegach wermikularyzacji i modyfikacji (żeliwo końcowe – f).

Wytopy przeprowadzono w piecu indukcyjnym tyglowym, średniej częstotliwości i wyłożeniu obojętnym. Dla uzyskania zróżnicowanej struktury osnowy żeliwa, zastosowano różne zawartości pierwiastków stopowych: Ni, Cu i Mo. Temperaturę kąpieli kontrolowano przy pomocy termoelementu zanurzeniowego. Po roztopieniu wsadu i przegrzaniu do temperatury ok. 1450°C, pobrano próbki do oznaczania składu chemicznego metodą spektrometryczną, zalewano próbniki kubkowe Quik-Cup do analizy krzywej krzepnięcia systemem ATAS i dokonywano pomiaru tlenu aktywnego systemem Celox®-Foundry przy użyciu czujnika CF-Nod. W tyglu pieca przeprowadzano obróbkę zaprawą krzemowo-magnezowo-cerową i modyfikatorem złożonym w ilości 0,6%.

Analogicznie jak poprzednio, pobierano próbki do oznaczania składu chemicznego, zalewano czujniki kubkowe systemu ATAS, mierzono zawartość tlenu aktywnego i odlewano wlewki próbne typu „YII” (25 mm). Stanowisko pomiarowe przedstawiono na rysunku 1.

Badania składu chemicznego wykonano przy użyciu spektrometru emisyjnego ARL typu Metal Analyser. Badania metalograficzne, na próbkach wyciętych z wlewków próbnych, zostały wykonane za pomocą mikroskopu metalograficznego AXIO OBSERWER Z1m i kamery do zdjęć cyfrowych.

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa z grafitem wermikularnym w oparciu o pomiar tlenu aktywnego.....

| 69

Rys. 1. Stanowisko pomiarowe w Zakładzie Stopów Żelaza Instytutu Odlewnictwa

Rys. 2. Ekran pomiarowy ATAS podczas wykreślania krzywej krystalizacji i stygnięcia

Wyniki badań

W tabelach 1–3, przedstawiono wyniki oznaczeń, pomiarów i badań.Rysunek 3 przedstawia ekran domyślny (graficzno-liczbowy) przyrządu Multi-Lab III,

stanowiący podstawowy element systemu Celox®-Foundry, bezpośrednio po zakończeniu pomiaru – stan taki jest utrzymywany aż do rozpoczęcia następnego pomiaru. Obserwacja przebiegu linii temperatury i napięcia ogniwa stężeniowego, wykreślanych podczas trwania pomiaru (na żywo) i bezpośrednio po jego zakończeniu, pozwala na ocenę prawidłowości przebiegu tego pomiaru i poprawności uzyskanego wyniku. Rysunek 4 przedstawia przykładowy wykres tworzony automatycznie przez system Celox®-Foundry podczas pomiaru zawartości tlenu aktywnego w ciekłym metalu zapisywany w pamięci, obok danych liczbowych, jako element archiwalny. Pozwala on na ocenę prawidłowości przebiegu danego pomiaru w dowolnym czasie.

Na rysunku 2 pokazano ekran pomiarowy programu ATAS podczas wykreślania krzywej krystalizacji i stygnięcia w trakcie analizy termicznej żeliwa.

Na rysunkach 5–8 zamieszczono przykładowo zrzuty ekranów programu ATAS Verifier (stanowiący integralną część adaptacyjnego systemu analizy termicznej ATAS) z obrazem krzywej krzepnięcia, oceną jakości i niektórymi parametrami żeliwa 1-b uzyskanymi z analizy krzywej krzepnięcia oraz ocenę skłonności do tworzenia wad w odlewach i propozycje zastosowania środków zaradczych dla żeliwa 1-f.

Na rysunkach 9–14 przedstawiono mikrofotografie zgładów nietrawionych pokazujące morfologię wydzieleń grafitu oraz mikrofotografie zgładów trawionych, ujawniające strukturę osnowy metalowej. Próbki metalograficzne wycinano z końcowych części wlewków próbnych typu „YII”.

Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa z wytopów doświadczalnych

Zawartość pierwiastków, % mas.

Żeliwo C Si Mn P S Mg Ni Cu Mo

1-b 4,05 1,22 0,48 0,060 0,025 - 0,17 0,20 0,28

1-f 3,85 1,95 0,52 0,050 0,020 0,018 0,16 0,20 0,28

2-b 4,05 1,40 0,48 0,050 0,25 - 0,85 1,05 0,34

2-f 3,85 2,32 0,50 0,050 0,020 0,018 0,83 1,04 0,35

3-b 4,03 1,54 0,50 0,045 0,022 - 0,84 0,50 0,23

3-f 3,80 2,33 0,52 0,042 0,016 0,023 0,83 0,52 0,23

Oznaczenie: b – żeliwo wyjściowe, f – końcowe

M. Kuder, A. Pytel

70 |

Tabela 2. Wyniki pomiaru zawartości tlenu aktywnego w ciekłym metalu („ciekłym żeliwie”)

Żeliwo 1-b 1-f 2-b 2-f 3-b 3-f

Temp. metalu, °C 1457,4 1465 1477,6 1473,8 1416,9 1461,1

SEM. ogniwa, Emf, mV -175,8 -235,6 -17,6 -241,8 -160,5 -241,7

Zawartość w 1420°C, ao, ppb 468,7 161,8 4444,4 135,6 612,1 151,3

bo, ppm 0,773 0,38 7,951 0,389 0,589 0,334

Rys. 3. Ekran domyślny przyrządu Multilab III CF bezpośrednio po pomiarze

Rys. 4. Wykres pomiaru zawartości tlenu aktywnego w metalu ciekłym 3-f zapisany w pamięci przyrządu

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa z grafitem wermikularnym w oparciu o pomiar tlenu aktywnego.....

| 71

Rys. 5. Okno wyników programu ATAS z krzywą krzepnięcia i niektórymi parametrami żeliwa 1-b

Rys. 6. Okno oceny z niektórymi parametrami żeliwa, wytycznymi korekty składu i parametrami

sferoidyzacji żeliwa 1-b

Rys. 7. Ocena skłonności metalu do tworzenia mikroporowatości wygenerowana przez system ATAS (okno ryzyko + objaśnienia) dla żeliwa 1-f

Rys. 8. Okno środki zaradcze z sugestiami działań poprawiających inne właściwości żeliwa 1-f

Tabela 2. Wyniki pomiaru zawartości tlenu aktywnego w żeliwie

Żeliwo 1-b 1-f 2-b 2-f 3-b 3-f

Temp. żeliwa, °C 1457,4 1465 1477,6 1473,8 1416,9 1461,1

Sem. ogniwa, Emf, mV -175,8 -235,6 -17,6 -241,8 -160,5 -241,7

Aktywność w 1420°C, ao, ppb 468,7 161,8 4444,4 135,6 612,1 151,3

bo, ppm 0,773 0,38 7,951 0,389 0,589 0,334

Rys. 9. Żeliwo 1-f; zgład nietrawiony; 20% grafitu kulkowego, 80% wermikularnego

Rys. 10. Żeliwo 1-f; zgład trawiony; P20 (ok. 30% perlitu)

M. Kuder, A. Pytel

72 |

Rys. 11. Żeliwo 2-f, zgład nietrawiony; grafit płatkowy

Rys. 12. Żeliwo 2-f, zgład trawiony; P 70 (ok. 70% perlitu)

Tabela 3. Ważniejsze parametry żeliwa z wytopów doświadczalnych, uzyskane z analizy krzywej krystalizacji i stygnięcia

ŻeliwoParametry 1-b 1-f 2-b 2-f 3-b 3-f

ACEL, % 4,36 4,48 4,3 4,37 4,36 4,27

TL, °C 1134 1139,8 1186 1207,8 1219 1144

TES, °C 1134 1125 1173,3 1188,5 1195 1143,8

TElow, °C 1134 1125 1151 1151 1154 1143

TEhigh, °C 1143 1143 1155 1151 1157 1143

R, °C 9 18 4 0 3 0

S1 0 11 21 22 31 17

GRF1 75 47 85 91 77 88

GRF2 68 128 92 168 26 71

Austenit pierwotny 0 0 0 0 0 0

TS, °C 1105,1 1076,9 1118,5 1077,1 1114,9 1088,5

Wskaźnik jakości MQ 45 21 69 42 72 50

Rys. 13. Żeliwo 3-f, zgład nietrawiony; ok. 80% grafit kulkowy, 30% wermikularny

Rys. 14. Żeliwo 3-f, zgład trawiony; P20 (ok. 20% perlitu)

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa z grafitem wermikularnym w oparciu o pomiar tlenu aktywnego.....

| 73

Analiza wyników

Otrzymane w wyniku wytopów doświadczalnych żeliwo posiadało skład eutektyczny (1-b) lub nadeutektyczny (pozostałe), charakteryzowało się znacznym zróżnicowaniem postaci grafitu i składu osnowy metalowej. Jedynie żeliwo z wytopu 1-f można uznać za wermikularne, gdyż zawiera tylko około 20% grafitu kulkowego. W przypadku żeliwa 2-f, pomimo typowej dla żeliwa wermikularnego zawartości magnezu na poziomie 0,018%, uzyskano grafit płatkowy z wydzieleniami grafitu pierwotnego (posiada skład lekko nadeutektyczny). Żeliwo 3-f zasadniczo ma strukturę sferoidalną z domieszką około 20% wydzieleń grafitu zwartego (wermikularnego), co praktycznie jest adekwatne do stwierdzonej zawartości resztkowego magnezu – 0,23% i warunków krzepnięcia wlewka.

Oznaczenie zawartości tlenu aktywnego w kąpieli (w żeliwie wyjściowym) (po roztopieniu wsadu i przegrzaniu) wykazało stosunkowo niskie wartości (469 do 612 ppb), prawdopodobnie wskutek nadeutektycznego składu kąpieli. Gdyby zostało wlane do formy, po krystalizacji powinno uzyskać strukturę żeliwa szarego (grafit płatkowy), co jest zgodne z ustaleniami Seutensa (rys. 7 i 8 w poprzednim referacie). Wyjątkiem było żeliwo 2-b. Analiza wykresu pomiaru tlenu aktywnego w tym żeliwie wykazała, że podczas pomiaru ogniwo stężeniowe czujnika uległo uszkodzeniu i dane liczbowe obliczone przez system są nieprawidłowe. Tworzenie tego wykresu jest widoczne na ekranie przyrządu Multi-Lab III podczas i po zakończeniu pomiaru. Jeżeli wynik posiada istotne znaczenie, pomiar taki powinien być powtórzony z użyciem nowego czujnika CF-Nod. Po przeprowadzonej obróbce stopem Si-Mg-Ce i modyfikatorem, poziom tlenu aktywnego w żeliwie uległ znacznemu obniżeniu i wynosił od ok. 136 do 162 ppb, co według rysunków 7 i 8, sytuuje je na granicy struktury wermikularnej i sferoidalnej. Jedynie w przypadku żeliwa 1-f jest to zgodne z uzyskaną strukturą. Można stwierdzić, że przyczyną tych rozbieżności jest różnica w warunkach prowadzenia badań. Seutens [7] opracował zależności pomiędzy zawartością tlenu aktywnego a postacią wydzieleń grafitu, wydłużeniem i skłonnością do tworzenia mikroporowatości, dla żeliwa niestopowego, obrabianego stopem Si-Mg. Dlatego jego ustalenia należy traktować jako możliwości metody i wytyczne do opracowania zależności odpowiednich dla indywidualnych warunków jak: skład chemiczny, rodzaj zaprawy i modyfikatora, szybkość krzepnięcia odlewu.

System zaawansowanej analizy krzywej krzepnięcia ATAS został opracowany dla dwóch diametralnie różniących się rodzajów żeliwa – szarego (z grafitem płatkowym) i sferoidalnego (z grafitem kulkowym). Krzywa krzepnięcia żeliwa z grafitem wermikularnym posiada zasadniczo przebieg pośredni pomiędzy ww. rodzajami, jednak w przypadku określenia postaci wydzieleń grafitu nie jest to jednoznacznie określone. Twórcy systemu, skupili się przede wszystkim na algorytmach ustalających zagrożenie dla jakości wytwarzanych odlewów wskutek powstania wad typu skurczowego (obciągnięcia, makro- i mikroporowatości) i zabielenia. Wskaźnikami informującymi o zagrożeniu wadami typu skurczowego jak obciągnięcia i jama skurczowa są m.in. dane: TL, TE S, S1, natomiast wad rodzaju porowatość i rzadzizna – R, S2, S3, GRF1. O skłonności żeliwa do zabieleń informuje usytuowanie temperatury TElow w stosunku do TEGrey i TEwhite. Większość ustalonych zależności, mimo wyraźnych różnic w przebiegu krzywych krzepnięcia, jest również istotna dla żeliwa z grafitem wermikularnym. Jednakże właściwości termofizyczne żeliwa z grafitem wermikularnym nie są prostym uśrednieniem dwu pozostałych. Wskaźnik grafitu GRF2 obliczany w końcowej fazie krzepnięcia próbki, wskazuje na morfologię grafitu. Zalecane przez twórców systemu ATAS wartości tego wskaźnika wynoszą odpowiednio: dla żeliwa z grafitem płatkowym, 15–5, dla żeliwa z grafitem sferoidalnym, 35–60. Wyższe wartości mają wskazywać na występowanie grafitu międzydendrytycznego. W prowadzonych badaniach uzyskano wartości wskaźnika GRF2 w granicach od 71 do 128

M. Kuder, A. Pytel

74 |

w próbkach, w strukturze których występował grafit wermikularny (przy udziale, odpowiednio 20 i 80%) oraz 168, gdy występował grafit pierwotny. Można zatem wnioskować, że istnieje duże prawdopodobieństwo określenia zakresu wartości wskaźnika GRF2 dla żeliwa z grafitem wermikularnym lub o dużym jego udziale w strukturze. Ustalenie optymalnych parametrów charakterystycznych punktów krzywej krzepnięcia żeliwa wermikularnego wymaga kontynuowania badań, gdyż proces optymalizacji wymaga posiadania co najmniej 20 wytopów tego samego gatunku.

Wnioski

Wyniki przeprowadzonych pomiarów podczas procesu metalurgicznego oraz badań żeliwa ze zróżnicowaną zawartością grafitu wermikularnego w strukturze pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:

• Metoda pomiaru zawartości tlenu aktywnego w ciekłym metalu (żeliwie) może być zastosowana do kontroli produkcji żeliwa z grafitem wermikularnym pod warunkiem opracowania wykresu analogicznego do Seutensa przy użyciu zapraw SiMgCe i specyficznych warunków konkretnej odlewni.

• System Celox®-Foundry, dzięki zastosowaniu nowego typu czujnika CF-Nod i elektrycznej lancy wibracyjnej, posiada bardzo dobrą czułość, powtarzalność wyników i krótki czas pomiaru, może być stosowany do kontroli jakości żeliwa sferoidalnego, a przy dopracowaniu i żeliwa wermikuralnego.

• System pomiarowo-analityczny ATAS, wykorzystujący zaawansowane algorytmy oblicza parametry charakterystycznych punktów i cech krzywej krystalizacji i stygnięcia, ocenia stan metalurgiczny żeliwa oraz pozwala na prognozowanie właściwości żeliwa po zakrzepnięciu, w tym postaci grafitu.

• Dla skutecznego zastosowania systemu ATAS do kontroli i sterowania procesem metalurgicznym żeliwa (w tym żeliwa wermikularnego), wymagane jest posiadanie bazy danych, zawierającej zoptymalizowane parametry krzywych krystalizacji i stygnięcia dla produkowanych gatunków w warunkach danej odlewni.

Literatura

[1] Dawson S.: Compacted graphite iron - A material solution for modern diesel engine cylinder Block and Hades. China Foundry, Aug. 2009, Vol. 6, no. 3

[2] Charakterystyka systemu ATAS (Zaawansowanej analizy termicznej), Materiały szkoleniowe firmy NovaCast Foundry Solutions

[3] ATAS Adaptacyjny System Analizy Termicznej. Przewodnik Użytkownika. Nova Cast Foundry Solutions AB 2009

[4] Mampaey F., Habets D., Seutens F.: The use of oxygen activity measurement to determine optimal properties of ductile iron during production. Foundry Reaserch/Giessereiforschung 2008, Vol. 60, No. 1, pp. 2–19

[5] Hummer R.: Practical Applications of Oxygen Activity Measurement for Control and Prediction of Shrinkage of Ductile Iron. BCIRA International Conference 1994

[6] Mampaey F., Habets D., Plessers J., Seutens F.: On line oxygen activity measurements to determine optimal graphite form during compacted graphite iron production. International Journal of Metalcasting, Spring 2010, Vol. 4, No. 2, pp. 25–43

[7] Seutens F.: Industrial applications of the oxygen activity measurement in cast iron. 4° Congreso Latinoamericano de Fundicion, Buenos Aires, 27 October 2010

[8] Celox®-Foundry. Bezpośredni pomiar aktywności tlenu w żeliwie, Materiały informacyjne firmy Heraeus Electro-Nite

| 75

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

Casting alloys for operation under harsh conditions of thermal wear

Żaroodporność

Żaroodpornością stopu nazywamy jego odporność na działanie gazów utleniających w temperaturze wyższej niż 500°C, tzn. powyżej temperatury „czerwonego żaru”. Gazy takie, stanowiące często spaliny, mogą zawierać oprócz tlenu, dwutlenek i tlenek węgla, parę wodną, azot, związki siarki, a często też inne szkodliwie działające związki lub drobne cząstki ciał stałych, jak np. popiół. Żaden stop nie jest żaroodporny aż do swojej temperatury topienia. Istnieje pewna graniczna temperatura, powyżej której traci on swoją żaroodporność.

Żaroodporność stopów określona jest przez łączną odporność na: • wysoką temperaturę,• powstawanie zgorzeliny,• zmianę kształtu.

Odporność na powstawanie zgorzeliny stopów żaroodpornych spowodowana jest wytworzeniem na ich powierzchni ochronnej warstewki pod wpływem działającego środowiska. Warstewka ta, składająca się najczęściej z tlenków – choć może być utworzona również z innych związków, zwiększa bardzo powoli swoją grubość i z tego powodu metal pod nią leżący jest z upływem czasu coraz silniej chroniony przed dalszym działaniem

Streszczenie

Wpracyprzedstawionoproblematykęstopówodlewniczychprzystosowanychdopracywwarunkachzużyciatermicznego.Poruszonozagadnieniadotycząceżaroodporności iżarowytrzymałościstopówodlewniczychorazproblematykęzwiązanązpełzaniemizmęczeniemmateriałowymwzależnościodwarunkówpracy.Zaprezentowanogrupymateriałówspełniającychwymaganiazwiązanezpracąprzyznacznymobciążeniutermicznymipokazanoprzykładyichzastosowaniawróżnychgałęziachprzemysłu.

Słowakluczowe:stopyniklu,nadstopy(superstopy),żaroodporność,żarowytrzymałość,pełzanie,zmęczeniemateriału

Abstract

Thestudydescribesvariousproblemsofcastingalloyssuitableforuseundertheconditionsofthermalwear.Theissuesofheatresistanceandcreepresistanceofcastingalloyswereaddressed.Thecreepandfatiguebehaviourofalloysrelatedtotheoperatingconditionswasalsodiscussed.Groupsofmaterialswerepresentedthatmeettherequirementsofoperationunderhighthermalloads.Severalexamplesofalloysforuseinavarietyofindustriesforoperationundertheharshthermalwearconditionsweregiven.

Keywords:nickelalloys,superalloys,heatresistance,creepresistance,creepandfatiguebehaviourofcastingalloys

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

76 |

ośrodka korodującego. Warunkiem koniecznym jest jednak, aby wytworzona warstewka wierzchnia była bardzo ścisła i silnie przylegała do metalu, przez co dalsze chemiczne działanie czynnych składników ośrodka zostanie w końcu zahamowane [1–7].

Silne przyleganie warstewki ochronnej do metalu ma szczególne znaczenie przy częstych i nagłych zmianach temperatury, ponieważ popękanie warstewki, które występuje w przypadku warstewek mało sprężystych, prowadzi do zniszczenia materiału. Wadę tę wykazują stopy, które przy zmianach temperatury ulegają przemianom alotropowym połączonym ze zmianami wymiarowymi. Dlatego też najlepszymi stopami są te, które w stosowanym zakresie temperatury mają stałą ustabilizowaną mikrostrukturę.

Jako miarę żaroodporności przyjmuje się temperaturę, w której próbka o ściśle oznaczonych wymiarach uzyskuje graniczną wartość przyrostu masy, wynoszącą 0,025 g/cm2 jej powierzchni, przy czym czas trwania próby wynosi 250 h [6].

Ponieważ w ogromnej większości zastosowań części wykonane ze stopów żaroodpornych są okresowo chłodzone, praktyczna próba określania granicznej temperatury żaroodporności polega na nagrzewaniu próbek do określonej temperatury w ciągu 24 godzin, po czym chłodzi się je do temperatury otoczenia. Ten zabieg powtarza się 5-krotnie, następnie usuwa się zgorzelinę w sposób wykluczający atakowanie nieutlenionego metalu (np. w stopionym NaOH zawierającym NaH) i waży dla ustalenia ubytku masy. Stop uważa się za odporny do danej temperatury, jeżeli ubytek masy po 120 godzinach nie przekracza 1 g/(m2 • h) przy tej temperaturze, a przy temperaturze o 50°C wyższej jest mniejszy niż 2 g/(m2 • h) [6].

Stopy żaroodporne stosowane są na elementy urządzeń pracujące w wysokiej temperaturze, ale nie przenoszące znaczniejszych obciążeń, jak armatura w instalacjach wysokotemperaturowych.

Skład chemiczny i wybrane właściwości niektórych stopów żaroodpornych ujmuje norma PN-EN 10095:2002 [8]. Wśród stopów objętych tą normą wyróżnić można: stale ferrytyczne, stale ferrytyczno-austenityczne, stale austenityczne, stopy na bazie niklu.

Maksymalna temperatura pracy tych stopów w powietrzu, w zależności od gatunku, może wynosić od 800°C do 1200°C.

Żarowytrzymałość

Inną cechą stopów pracujących w wysokiej temperaturze jest ich odporność na niszczenie cieplno-mechaniczne.

Jeżeli elementy metalowe w wysokiej temperaturze narażone są nie tylko na chemiczne oddziaływanie gazów, ale muszą przy tym przenosić obciążenia w czasie pracy, to stopy na nie stosowane muszą wykazywać się nie tylko żaroodpornością, ale odpowiednią żarowytrzymałością. Pod tym pojęciem należy rozumieć zdolność do przenoszenia obciążeń w wysokiej temperaturze. Wytrzymałość materiału zależna jest od temperatury i czasu (rys. 1). W niskiej temperaturze zależność ta nie jest jednak wyraźna i linia dla temperatury T1 ma przebieg praktycznie poziomy. Natomiast ze wzrostem temperatury zależność wytrzymałości materiału od czasu działania obciążenia staje się coraz bardziej wyraźna.

Z przebiegu krzywych dla poszczególnych wartości temperatury widać, że naprężenie σ, które powoduje zerwanie próbki jest tym mniejsze im dłuższy jest czas jego działania:

σ 3 < σ 2 < σ 1,przy czym zależność ta zwiększa się bardzo silnie ze wzrostem temperatury badania, zatem, o ile w niskiej temperaturze wpływ czasu na wytrzymałość można pominąć, to przy wysokiej temperaturze uwzględnienie tego czynnika na wytrzymałość stopu staje się konieczne.

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 77

Rys.1.Wpływtemperaturyiczasunawytrzymałośćstopównarozciąganie[7]

W podwyższonej temperaturze, procesy dyfuzyjne w materiałach stają się tak intensywne, że powodują zmiany kształtu pod wpływem niewielkich naprężeń. Odkształcenie takie ma charakter odkształcenia (płynięcia) lepkościowego. Proces ten nazywamy pełzaniem wysokotemperaturowym.

Temperatura, w której materiał zaczyna pełzać, zależy od jego temperatury topienia. Przyjmuje się, że dla metali pełzanie rozpoczyna się powyżej 0,3–0,4 temperatury topienia, a dla ceramiki – powyżej 0,4–0,5 tej temperatury [7].

Pełzanie można zdefiniować jako powolne i ciągłe odkształcanie materiału w czasie pod wpływem niewielkich naprężeń niższych od granicy plastyczności. Wielkość tego odkształcenia (e) zależy od naprężenia (σ), temperatury (T) i czasu pełzania (t):

e = f (σ, T, t),podczas, gdy odkształcenie sprężyste w temperaturze pokojowej większości metali i ceramiki praktycznie nie zależy od czasu:

e = f (σ).Krzywa obrazująca przebieg wydłużenia w czasie pod działaniem stałego obciążenia

(rys. 2) nosi nazwę krzywej pełzania.Na typowej krzywej pełzania można wyróżnić cztery zakresy: OA – odkształcenia

sprężyste i plastyczne zaistniałe w momencie przyłożenia obciążenia, AB – zakres zmniejszającej się szybkości odkształcenia (stadium I), BC – zakres stałej szybkości odkształcenia (stadium II), CD – zakres wzrastającej szybkości odkształcenia, aż do zerwania próbki, które następuje w punkcie D (stadium III). Im wyższa jest temperatura, tym większa jest szybkość odkształcenia (rys. 3).

Pełzanie jest wynikiem wielu złożonych zjawisk. Zależność mechanizmów pełzania od temperatury – tzw. mapy Ashby’ego pokazuje rysunek 4 [10]. Jest to wykres przedstawiający obszary występowania różnych mechanizmów odkształcenia w zależności od stosunku naprężenia do modułu Kirchhoffa materiału (σ/G) i stosunku temperatury, w której następuje odkształcenie do temperatury topienia tego materiału (T/TM) [10].

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

78 |

Rys.2.Krzywapełzania[7]

Rys.3.Krzywapełzaniadlaróżnychtemperatur:T1 <T2 < T3 < T4[7]

Rys.4.MapyAshby’ego[10]

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 79

Żarowytrzymałość stopu charakteryzują następujące wielkości [7]:a) czasowa granica pełzania, zwana granicą pełzania; jest to stałe naprężenie, które po

upływie określonego czasu działania, przy stałej temperaturze, spowoduje wydłużenie próbki o określoną wielkość; oznaczana jest symbolem Rx/t/T; gdzie x oznacza trwałe odkształcenie (%) w czasie t (h) w temperaturze T (°C), np. R1/1000/600 oznacza naprężenie, które spowoduje trwałe odkształcenie próbki wynoszące 1% po 1000 godzinach w temperaturze 600°C,

b) czasowa wytrzymałość na pełzanie, zwana wytrzymałością na pełzanie; jest to stałe naprężenie, które po upływie określonego czasu działania przy stałej temperaturze spowoduje zerwanie próbki; oznacza się ją symbolem Rz/t/T, np. Rz/1000/600 oznacza naprężenie powodujące rozerwanie próbki po 1000 godzinach w temperaturze 600°C.

Wytrzymałość czasową dla stopów różnych metali przedstawiono na rysunku 5. Jak widać stopy na bazie molibdenu, kobaltu, a także niklu w bardzo wysokiej temperaturze zachowują się lepiej niż nawet bardzo wysokostopowe stale, czy inne stopy na bazie żelaza. W bardzo wysokiej temperaturze nieprzydatne są stopy aluminium, a nawet tytanu.

W przypadku, gdy materiał poddawany jest w stałej temperaturze stałemu obciążeniu mamy do czynienia z pełzaniem stacjonarnym. W praktyce często występuje jednak cykliczna zmiana warunków pracy. W wyniku tego obciążenia cyklicznego występuje pełzanie cykliczne. Wpływ rodzaju obciążenia na przebieg odkształcenia schematycznie pokazuje rysunek 6.

Rys.5.Wytrzymałośćczasowa(1000h)stopówróżnychmetali[7]

Rys.6.Wpływrodzajuobciążenianaprzebiegodkształceniametali

wpodwyższonejtemperaturze[11]

stacjonarne

cykliczne

Odkształcenie; ε

Nap

ręże

nie;

σ

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

80 |

Terminologia stosowana w fachowej literaturze odnosząca się do cyklicznego pełzania nie jest jednoznaczna. Wynika to stąd, że cykliczne pełzanie w wielu przypadkach ma charakter zmęczenia cieplnego lub cieplno-mechanicznego, w którym należy określić udział pełzania w procesie niszczenia. Proces cyklicznego pełzania może się odnosić do:• pełzania przy naprężeniu cyklicznym,• pełzania w zmiennym polu temperatury.

Charakterystykę prób wytrzymałościowych w podwyższonej temperaturze dla tych warunków pełzania przedstawia rysunek 7.

Trwałość elementów pracujących w warunkach cyklicznych zmian obciążeń cieplno-mechanicznych zależy od kształtu jego cyklu temperaturowego i/lub naprężeniowego. Klasyfikację stosowanych w próbach obciążeń cyklicznych schematycznie pokazuje rysunek 8.

Rys.7.Pełzaniewcykliczniezmiennympolutemperatury(zlewej) inaprężenia(zprawej)[11]

σ

tT

t

t

t

t

t

ε

T

σ

ε

5/22

Terminologia stosowana w fachowej literaturze odnosząca się do cyklicznego pełzania nie jest jednoznaczna. Wynika to stąd, że cykliczne pełzanie w wielu przypadkach ma charak-ter zmęczenia cieplnego lub cieplno-mechanicznego, w którym należy określić udział pełza-nia w procesie niszczenia. Proces cyklicznego pełzania może się odnosić do:

- pełzania przy naprężeniu cyklicznym,- pełzania w zmiennym polu temperatury.

Charakterystykę prób wytrzymałościowych w podwyższonej temperaturze dla tych wa-runków pełzania przedstawia rys. 25.

Rys. 25. Pełzanie w cyklicznie zmiennym polu temperatury (z lewej) i naprężenia (z prawej) [11]

Trwałość elementów pracujących w warunkach cyklicznych zmian obciążeń cieplno-mechanicznych zależy od kształtu jego cyklu temperaturowego i/lub naprężeniowego. Klasy-fikację stosowanych w próbach obciążeń cyklicznych schematycznie ilustruje rys. 26.

Rys. 26. Klasyfikacja stosowanych warunków prób cyklicznego obciążania [11]

Pełzanie przy cyklicznej zmianie temperatury występuje w przypadku, gdy przy stałym naprężeniu materiał w sposób cykliczny przechodzi z ośrodka o temperaturze T1 do ośrodka o temperaturze T2. Przy małych wartościach stosunku czasu próby do okresu zmiany tempera-tury, pełzanie rozpatruje się jako proces adekwatny pełzaniu w stałej temperaturze TE, przy

σ

tT

tε

t

T

tσ

tε

t

klasyczne zbliżone do warunków przemysłowych

CYKLICZNE OBCIĄŻENIA

CYKLEPROSTOKĄTNE

CYKLETRÓJKĄTNE, PIŁOWE, SINUSOIDALNE, PRZYPADKOWE

JEDNOSTOPNIOWE WIELOSTOPNIOWE

ZMIENNE NAPRĘŻENIE

ZMIENNA TEMPERATURA

ZMIENNE NAPRĘŻENIE

iTEMPERATURA

ZMIENNE NAPRĘŻENIE

ZMIENNA TEMPERATURA

ZMIENNE NAPRĘŻENIE

iTEMPERATURA

Rys.8.Klasyfikacjastosowanychwarunkówpróbcyklicznegoobciążania[11]

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 81

Pełzanie przy cyklicznej zmianie temperatury występuje w przypadku, gdy przy stałym naprężeniu materiał w sposób cykliczny przechodzi z ośrodka o temperaturze T1 do ośrodka o temperaturze T2. Przy małych wartościach stosunku czasu próby do okresu zmiany temperatury, pełzanie rozpatruje się jako proces adekwatny do pełzania w stałej temperaturze TE, przy której odkształcenie pełzania w równych przedziałach czasu jest równe odkształceniu przy zmianie temperatury.

W przypadku, gdy materiał poddawany jest niepowodującym zmęczenia, cyklicznie zmiennym, dynamicznym obciążeniom o dużej częstotliwości (duża wartość stosunku czasu próby do okresu zmiany naprężenia), często nałożonym na obciążenie stałe, mamy do czynienia z pełzaniem dynamicznym, tzw. wibropełzaniem. Schemat takiego pełzania przedstawiono na rysunku 9.

Jeżeli w podwyższonej temperaturze w tworzywach metalowych pod wpływem cyklicznego odkształcania zachodzi proces powstawania i rozwoju pęknięć, aż do zniszczenia materiału, mówimy wówczas o zmęczeniu wysokotemperaturowym.

Jeżeli odkształcenia występują w niezmiennej temperaturze, wówczas mówimy o zmęczeniu izotermicznym.

Gdy stan naprężenia będzie niezmienny, a zmianie ulegać będzie jedynie temperatura i dylatacje z nią związane, to taki przypadek jest czystym zmęczeniem cieplnym.

W rzeczywistych warunkach najczęściej mamy do czynienia ze stanami pośrednimi. Występuje wówczas zmęczenie cieplno-mechaniczne.

Jeżeli do elementu konstrukcyjnego, będącego pod działaniem obciążenia statycznego (σm) będzie przyłożone obciążenie cykliczne (σr), przy którym zachodzi odkształcenie plastyczne, to w rezultacie kumulacji naprężeń w jednym kierunku nastąpi przyrost odkształcenia. Schematycznie to odkształcenie przyrostowe pokazuje rysunek 10.

W zależności od warunków cyklicznego obciążania rozróżnia się dwa rodzaje odkształcenia przyrostowego:• mechaniczne odkształcenie przyrostowe,• cieplne odkształcenia przyrostowe.

Rys.9.Schematpełzaniadynamicznego(wibropełzania)[11]

6/22

T

tσ

tε

t

tσ

tε

t

σr

σm

której odkształcenie pełzania w równych przedziałach czasu jest równe odkształceniu przy zmianie temperatury.

W przypadku, gdy materiał poddawany jest nie powodującym zmęczenia, cyklicznie zmiennym dynamicznych obciążeniom o dużej częstotliwości (duża wartość stosunku czasu próby do okresu zmiany naprężenia), często nałożonym na obciążenie stałe, mamy do czynie-nia z pełzaniem dynamicznym, tzw. wibropełzaniem. Schemat takiego pełzania przedsta-wiono na rys. 27.

Rys. 27. Schemat pełzania dynamicznego (wibropełzania) [11]

Jeżeli w podwyższonej temperaturze w tworzywach metalicznych pod wpływem cy-klicznego odkształcania zachodzi proces powstawania i rozwoju pęknięć, aż do zniszczenia materiału, mówimy wówczas o zmęczeniu wysokotemperaturowym.

Jeżeli odkształcenia występują w niezmiennej temperaturze, wówczas mówimy o zmę-czeniu izotermicznym.

Gdy stan naprężenia będzie niezmienny, a zmianie ulegać będzie jedynie temperatura i dylatacje z nią związane, to taki przypadek jest czystym zmęczeniem cieplnym.

W rzeczywistych warunkach najczęściej mamy do czynienia ze stanami pośrednimi. Występuje wówczas zmęczenie cieplno-mechaniczne.

Jeżeli do elementu konstrukcyjnego, będącego pod działaniem obciążenia statycznego (σm) będzie przyłożone obciążenie cykliczne (σr), przy którym zachodzi odkształcenie pla-styczne, to w rezultacie kumulacji naprężeń w jednym kierunku nastąpi przyrost odkształce-nia. Schematycznie to odkształcenie przyrostowe ilustruje rys. 28.

Rys. 28. Odkształcenie przyrostowe [11]

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

82 |

Mechaniczne przyrosty odkształcenia występują w stałej temperaturze przy zmęczeniu małą liczbą cykli, natomiast cieplne przyrosty odkształcenia – przy zmęczeniu cieplnym.

6/22

T

tσ

tε

t

tσ

tε

t

σr

σm

której odkształcenie pełzania w równych przedziałach czasu jest równe odkształceniu przy zmianie temperatury.

W przypadku, gdy materiał poddawany jest nie powodującym zmęczenia, cyklicznie zmiennym dynamicznych obciążeniom o dużej częstotliwości (duża wartość stosunku czasu próby do okresu zmiany naprężenia), często nałożonym na obciążenie stałe, mamy do czynie-nia z pełzaniem dynamicznym, tzw. wibropełzaniem. Schemat takiego pełzania przedsta-wiono na rys. 27.

Rys. 27. Schemat pełzania dynamicznego (wibropełzania) [11]

Jeżeli w podwyższonej temperaturze w tworzywach metalicznych pod wpływem cy-klicznego odkształcania zachodzi proces powstawania i rozwoju pęknięć, aż do zniszczenia materiału, mówimy wówczas o zmęczeniu wysokotemperaturowym.

Jeżeli odkształcenia występują w niezmiennej temperaturze, wówczas mówimy o zmę-czeniu izotermicznym.

Gdy stan naprężenia będzie niezmienny, a zmianie ulegać będzie jedynie temperatura i dylatacje z nią związane, to taki przypadek jest czystym zmęczeniem cieplnym.

W rzeczywistych warunkach najczęściej mamy do czynienia ze stanami pośrednimi. Występuje wówczas zmęczenie cieplno-mechaniczne.

Jeżeli do elementu konstrukcyjnego, będącego pod działaniem obciążenia statycznego (σm) będzie przyłożone obciążenie cykliczne (σr), przy którym zachodzi odkształcenie pla-styczne, to w rezultacie kumulacji naprężeń w jednym kierunku nastąpi przyrost odkształce-nia. Schematycznie to odkształcenie przyrostowe ilustruje rys. 28.

Rys. 28. Odkształcenie przyrostowe [11]Rys.10.Odkształcenieprzyrostowe[11]

Stopy żarowytrzymałe – podział ogólny

Stopy o szczególnie wysokiej żarowytrzymałości i żaroodporności nazywane są superstopami albo też niekiedy nadstopami. Dużą żaroodporność tych stopów uzyskuje się najczęściej wykorzystując oprócz umacniania roztworowego, możliwość umacniania dyspersyjnego różnego rodzaju fazami pierwiastka bazowego z dodatkami stopowymi.

Stopy tego rodzaju stosowane są w temperaturze wyższej od 750°C, np. na łopatki turbin gazowych. Znanych jest kilka rodzajów tych stopów [2–5]: 1. Stopy na osnowie Fe-Cr-Ni (np. Tinidur – 0,1% C, 14% Cr, 30% Ni, 2,5% Ti z dodatkami

Si, Mn i Al). W innych stopach tego typu stosuje się również dodatek W, Mo, Nb, N. Temperatura pracy tych stopów nie powinna przekraczać 800°C.

2. Złożone stopy Cr-Ni-Co-Fe, gdzie część żelaza zastąpiono kobaltem, np. Multimetzawiera po około 20% Cr, Ni i Co z dodatkiem W, Mo, Nb, resztę (około 30%) stanowi Fe. Elementy ze stopów o większej zawartości węgla (do 0,4%) wytwarza się przez odlewanie. Materiały te mogą pracować w temperaturze 800–850°C.

3. Całkowite zastąpienie żelaza kobaltem pozwoliło na dalszą poprawę właściwości tych stopów. Zawartość kobaltu wynosi 40–60% i zawierają one ponadto Cr, Ni, Mo, W (np. HS-3l zawiera 0,5% C, 25% Cr, 10% Ni, 54% Co, 8% W, reszta to Fe, Si, Mn). Temperatura pracy tych stopów dochodzi do 980°C.

Ostatnią grupę nadstopów stanowią tzw. Nimoniki i Inconele (o podobnym składzie) na bazie 20% Cr i 80% Ni (nikiel może być zastąpiony częściowo kobaltem) z dodatkiem Mo, Ti, Al, Zr, B. Mogą być obrabiane plastycznie lub odlewane. Są one stosowane na łopatki turbin w silnikach lotniczych w temperaturze pracy do 1000°C. Odlewy łopatki turbinowej poddaje się obróbce cieplno-chemicznej (alumi niowaniu), która istotnie poprawia ich trwałość eksploatacyjną.

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 83

Nadstopy

Charakterystyka nadstopów

Nadstopy (superstopy), jak już wspomniano wcześniej, są stopami wykazującymi dobrą kombinację wytrzymałości mechanicznej i odporności na degradację powierzchni pod wpływem aktywnego chemicznie środowiska w wysokiej temperaturze. Charakteryzują się zatem bardzo dużą żaroodpornością i żarowytrzymałoś cią. Są stosowane głównie w turbinach gazowych, przemyśle chemicznym oraz tam, gdzie wymaga się odporności na pełzanie i na oddziaływanie środowiska korozyjnego. Nowoczesne silniki odrzutowe nie mogłyby być stosowane, gdyby nie postęp w rozwoju nadstopów. Wartą odnotowania cechą nadstopów na osnowie niklu jest to, że są one stosowane na elementy przenoszące obciążenia w temperaturze przewyższającej 80% tem peratury ich topnienia.

Wyróżnia się nadstopy na osnowie żelaza, niklu i kobaltu. Nadstopy na osnowie żelaza mają strukturę krystaliczną RSC i w tym celu zawierają nikiel. Najczęściej stosowanymi i najbardziej interesującymi są nadstopy na osnowie niklu. Stopy na osnowie kobaltu nie zawierają fazy g’.

Jak wiadomo, odkształcenie metali następuje głównie dzięki przemieszczaniu się dyslokacji przez strukturę krystaliczną, zatem podstawowym warunkiem dużej wytrzymałości metali jest duża siła wiązań między atomami. W przypadku metali zależy ona od modułu sprężystości proporcjonalnego do temperatury topnienia. Nadstopy ze względu na wysoką temperaturę stosowania można umacniać jedynie roztworowo i dyspersyjnie cząstkami innej fazy. Nie można natomiast umacniać ich przez zwiększenie gęstości dyslokacji lub przez rozdrobnienie ziarna. Wzrost wytrzymałości dzięki umocnieniu roztworowemu jest proporcjonalny do różnicy średnic atomów składnika rozpuszczonego i osnowy oraz liczby wakancji elektronowych w trzeciej powłoce elektronowej, tj. zależy od położenia pierwiastka rozpuszczonego w układzie okresowym pierwiastków. Czynnik ten wpływa na siłę wiązań między atomami. Stwierdzono, że wpływ na umocnienie roztworowe kilku pierwiastków jest znacznie większy niż jednego w ilości równej ich zawartości sumarycznej.

Wszystkie stopy do zastosowań wysokotemperaturowych w atmosferze utleniającej lub korozyjnej zawierają odpowiednią zawartość pierwiastków o dużym powinowactwie do tlenu, takich jak chrom lub aluminium, a w niektórych przypadkach również Si. Te pierwiastki tworzą warstwę tlenków przynajmniej częściowo chroniącą metal przed utlenianiem. W warunkach ekstremalnych takie stopy mogą być również chronione przez stosowanie pokryć zawierających dużo chromu lub aluminium, np. przez zastosowanie obróbki cieplno-chemicznej (aluminiowanie) [1, 7, 11].

Nadstopy na osnowie żelaza

Nadstopy na osnowie żelaza wywodzą się ze stali austenitycznych odpornych na korozję. Wykorzystuje się w nich osnowę o strukturze RSC z gęstym ułożeniem atomów umocnioną roztworowo i cząstkami innej fazy. Aby nadstopy na osnowie żelaza miały mikrostrukturę austenityczną, dodaje się co najmniej 25% niklu. Wydzieleniami umacniającymi są głównie fazy uporządkowane, takie jak g’ (Ni3Al), h (Ni3Ti) i g” (Ni3Nb), chociaż węgliki i węglikoazotki mogą również występować. Faza h (Ni3Ti) jest fazą heksagonalną zwartą i powoduje mniej efektywne umocnienie niż faza g’ (Ni3Al).

Stopy na osnowie żelaza są również umacniane fazą g’, jednak w znacznie mniejszym stopniu, gdyż ułamek objętości fazy g’ jest znacznie mniejszy niż w stopach na osnowie niklu. Stopy zawierające dużo niklu i niobu umacniane są głównie wydzieleniami fazy g” na osnowie Ni3Nb i strukturze krystalicznej tetragonalnej przestrzennie centrowanej.

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

84 |

W nie których stopach fazy g’ i g” mogą współistnieć, jednak faza g” jest metastabilna i po długim czasie starzenia w temperaturze powyżej 700°C może się przemienić w fazę Ni3Nb o strukturze rombowej, nazywaną fazą d.

Niektóre nadstopy na osnowie żelaza są skłonne do tworzenia faz topologicznie zwartych, a szczególnie fazy σ. Fazy te mają zwykle morfologię płytkową i bardzo mocno zwiększają kruchość stopu. Przez odpowiedni dobór składu chemicznego można zapobiegać wydzielaniu się tych faz [1, 7, 11].

Nadstopy na osnowie kobaltu

Nadstopy na osnowie kobaltu w przeciwieństwie do innych nadstopów nie są umocnione uporządkowanymi wydzieleniami koherentnymi fazy g’. Są one natomiast umocnione roztworowo i wydzieleniowo węglikami. Głównym składnikiem mikrostrukturalnym nadstopów na osnowie kobaltu jest roztwór stały o strukturze krystalicznej RSC. Kobalt poniżej temperatury 417°C ma strukturę krystaliczną HZ, dlatego w celu stabilizacji tej struktury do wszystkich nadstopów na osnowie kobaltu dodaje się nikiel w ilości 10–30%, a czasem nawet większej. W celu zapewnienia odporności na utlenianie i korozję wysokotemperaturową nadstopy na osnowie kobaltu zawierają 20–30% chromu. Umocnienie wydzieleniowe pochodzi od węglików, dlatego zawartość węgla wynosi 0,25–1,0%. Pierwiastki węglikotwórcze Cr, W i Mo są dodawane do nadstopu w celu umocnienia roztworowego osnowy, a w celu utworzenia węglików typu MC są często dodawane pierwiastki o dużym powinowactwie do węgla, a mianowicie Ti, Ta, Nb, Zr i Hf. Ze względu na dużą stabilność cieplną węglików umocnienie nimi stopów na osnowie kobaltu może być w wysokiej temperaturze bardziej efektywne niż fazą g’ stopów na osnowie niklu. W nadstopach kobaltu występują węgliki typu: M7C3, M23C6, MC i M6C. Mogą również występować fazy międzymetaliczne; najczęściej są to fazy: Lavesa, σ i h.

Nadstopy na osnowie kobaltu charakteryzują się lepszą spawalnością i odpornością na zmęczenie cieplne niż stopy na osnowie niklu. Mogą też być wytapiane w powietrzu lub argonie. Natomiast nadstopy na osnowie niklu lub żelaza, zawierające reaktywne pierwiastki, takie jak Al lub Ti, wymagają wytapiania w próżni. Jednak w przeciwieństwie do nadstopów na osnowie niklu, mających dużą tolerancję zawartości pierwiastków stopowych rozpuszczonych w osnowie, stopy na osnowie kobaltu wykazują znacznie większą tendencję do wydzielania się wspomnianych wcześniej, niepożądanych faz: Lavesa, σ i h [1, 7, 11].

Nadstopy na osnowie niklu

Stopy te znajdują szerokie zastosowanie szczególnie w konstrukcjach samolotów, rakiet, tur bin gazowych i innych urządzeń pracujących w wysokiej temperaturze i agresyw-nym chemicznie środowisku. Przykładowo, części wykonane z tych stopów przekraczają 50% masy nowocze snych silników lotniczych. Odgrywają one główną rolę w grupie stopów żarowytrzymałych i żaroodpornych. Decyduje o tym ko rzystne zespolenie żarowytrzymałości i żaroodporności z odpornością na zmęczenie cieplne i kruche pękanie w wysokiej temperaturze oraz inne korzystne właściwości fizykochemiczne [7, 11].

W nadstopach na osnowie niklu występuje ponad dziesięć pierwiastków. Dodatkowo zawartość szkodliwych pierwiastków, takich jak: krzem, fosfor, siarka, tlen i azot, musi być regulowana odpowiednią technologią wytapiania. Inne pierwiastki śladowe, takie jak: selen, bizmut, tellur, tal czy ołów, muszą być ograniczone do bardzo niewielkiej zawartości (na poziomie tysięcznych, a nawet dziesięciotysięcznych części procenta), ponieważ niezwykle silnie pogarszają właściwości mechaniczne.

Wiele nadstopów na osnowie niklu zawiera 10–20% chromu, do 8% aluminium z tytanem, 5–15% kobaltu i małą ilość boru, cyrkonu, magnezu i węgla. Innymi często

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 85

stosowanymi dodatkami są molibden, niob i wolfram, które spełniają podwójną rolę, tj. umacniają roztworowo i tworzą węgliki. Chrom i aluminium są konieczne, gdyż poprawiają stabilność powierzchni dzięki tworzeniu tlenków odpowiednio Cr2O3 i Al2O3 [7, 11].

Pierwiastki wy stępujące w nadstopach niklu w zależności od pełnionej funkcji można podzielić na [1, 11]: • rozpuszczające się w osnowie austenitycznej: Co, Fe, Cr, V, Mo, W, • tworzące wydzielenia: Al, Ti, Nb, Ta, np. Ni3Al, Ni3Ti czy Ni3(Al, Ti), • tworzące węgliki: Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Ta,• segregujące do granic ziaren: Mg, B, C, Zr,• tworzące tlenki zapobiegające korozji: Cr, Al,• zwiększające odporność na wysokotemperaturowe utlenianie: La, Th.

W nadstopach na osnowie niklu mogą występować następujące fazy [1, 11]: • osnowa g, która jest fazą niemagnetyczną na osnowie niklu o strukturze krystalicznej

RSC, z rozpuszczoną zwykle dużą ilością kobaltu, żelaza, chromu, molibdenu i wolframu; faza ta stanowi osnowę we wszystkich stopach niklu,

•• g’ (Ni3(Al, Ti)), która jest koherentną fazą z osnową g; inne pierwiastki, a mianowicie Nb, Ta i Cr również występują w fazie g’; faza ta jest konieczna do uzyskania wysokotemperaturowej wytrzymałości i odpor ności na pełzanie, a w niektórych stopach jej zawartość przekracza nawet 50%,

•• g” (Ni3Nb), którą tworzą nikiel i niob w obecności żelaza; ma ona strukturę krystaliczną tetragonalną przestrzennie centrowaną,

• węgliki: tytanu, tantalu, hafnu i niobu tworzące węgliki typu MC; podczas obróbki cieplnej i eksploatacji węgliki te mogą się rozpadać i wówczas na granicach ziaren tworzą się węgliki typu M23C6 i M6C,

• borki o małej gęstości tworzą się, gdy bor segreguje do granic ziaren, • fazy topologicznie zwarte, o kształcie płytek lub włókien, np. σ, h i Lavesa, które

pogarszają ciągliwość i odporność na pełzanie.Osnowa nadstopów niklu (g), jak wspomniano, krystalizuje w układzie A1 (RSC). Jest

ona roztworem stałym różnowęzłowych dodatków stopowych w niklu, umacniających ten roztwór w wyniku zniekształcenia sieci.

Wszystkie stopy na osnowie niklu umacniane są głównie wydzieleniami fazy (g’) koherentnie powiązanej z osnową. Posiada ona niezwykle korzystne wła ściwości, gdyż jej wytrzymałość wzrasta ze wzrostem temperatury, przy za chowaniu dobrej plastyczności, co zwiększa żarowytrzymałość stopu bez wzro stu skłonności do kruchości, w odróżnieniu od umacniania fazami o większej twardości, np. węglikami. Wpływ tej fazy na właściwości stopu zależy bardzo od wielkości i kształtu jej wydzieleń. Faza ta ma taką samą strukturę krystaliczną jak osnowa, tj. RSC, jednak o nieco innym parametrze. Zawartość Al i Ti jest tak dobrana, aby w najmocniejszych stopach odlewniczych zawartość fazy g’ przekraczała 50% objętości stopu.

Jeżeli stop jest dobrze obrobiony cieplnie, to faza g’ wydziela się w taki sposób, że orientacja krystaliczna osnowy i wydzieleń jest taka sama, a jeżeli różnice w parametrach struktury krystalicznej są małe, to fazy są koherentne. Gdy jednak parametry różnią się znacznie, wówczas fazy przestają być koherentne. Cząstki fazy g’ stanowią największe przeszkody dla ruchu dyslokacji, gdy g’ ma największe niedopasowanie, przy którym koherencja jest jeszcze zachowana. Niedo pasowanie można regulować w ograniczonym zakresie przez zmianę składu osnowy, przez zmianę względnej zawartości Al i Ti lub przez dodanie małych ilości innych pierwiastków. Faza g’ zawierająca dużo Ti jest mniej stabilna niż faza g’ zawierająca dużo Al. Ze względu na niewystarczającą stabilność faza z dużą ilością Ti może podczas długo trwałego przebywania stopu w wysokiej temperaturze przemienić się

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

86 |

w fazę h (Ni3Ti) o strukturze krystalicznej heksagonalnej zwartej. Faza h występuje zwykle w postaci płytek i nie wpływa tak korzystnie na pełzanie i ciągliwość stopu jak faza g’ [1, 11].

W stopach o małym ułamku objętości fazy g’ cząstki są sferoidalne, natomiast w stopach o zwiększonej zawartości Al i Ti cząstki są sześcienne. Zmiana morfologii jest spowodowana niedopasowaniem struktury krys talicznej wydzielenia do struktury krystalicznej osnowy. Stwierdzono, że cząstki g’ są sferoidalne, jeżeli niedopasowanie nie jest większe niż 0,2%, stają się sześcienne dla niedopasowania 0,5–1% i płytkowe dla niedopa sowania około 1,25% [11].

Typ i morfologia węglików zależą od składu stopu oraz zastosowanej obróbki cieplnej. Węgliki w nadstopach na osnowie niklu spełniają dwa zadania. Węgliki pierwotne MC, głównie TiC i NbC, wydzielające się w cieczy lub na początku krzepnięcia stopu są zarodkami ziaren osnowy i ograniczają rozrost ziaren podczas obróbki cieplnej. Węgliki wtórne typu M23C6, M7C3 i M6C, wydzielające się głównie po granicach ziaren, w których głównym pierwiast kiem metalicznym jest chrom, mogą podczas obróbki cieplnej rozpuszczać się i wydzielać ponownie. Jeżeli węgliki tworzą ciągłą warstwę na granicach ziaren, to obniżają udarność i powodują zmniejszenie wytrzymałości na pełzanie, natomiast jeżeli tworzą izolowane cząstki globularne, to zwiększają wytrzymałość na pełzanie.

Większość nowoczesnych nadstopów o osnowie niklu zawiera małe ilości boru i cyrkonu w ilości odpowiednio około 0,01% i 0,1%. Pierwiastki te wpływają na kształt cząstek węglików na granicach ziaren, co powoduje poprawę wytrzymałości na pełzanie i ciągliwości.

Pierwiastkami najbardziej zwiększającymi wytrzymałość i stabilność powierzchni są aluminium i tantal.

Pierwiastkami niepożądanymi w nadstopach są: ołów, bizmut, cynk i arsen, głównie dlatego, że zmniejszają ciągliwość podczas pełzania. Małe i ściśle regulowane zawartości magnezu lub metali ziem rzadkich przeciwdziałają kruchości spowodowanej siarką [1, 11].

Z uwagi na to, że postęp w zakresie napędów lotniczych, jak również urządzeń technologicznych dla potrzeb chemii i energetyki, jest uzależniony w głównej mierze od rozwoju żarowytrzymałych i żaroodpornych stopów na osnowie niklu, kraje rozwinięte przeznaczają, od kilkunastu lat, na ten kierunek badań duże środki. W efekcie uzyskano znaczny postęp w tej dziedzinie. Zwiększenie wytrzymałości na pełzanie oraz temperatury eksploatacji omawianych stopów osiąga się przez [1, 11]:• wykorzystanie rafinacji próżniowej w celu oczyszczenia granic ziaren z niskotopliwych

wydzieleń, zmniejszenie porowatości i ilości wtrąceń niemetalicz nych w stopie. Wytapianie w próżni zapobiega utlenianiu się pierwiast ków stopu, co umożliwia lepszą regulację zawartości istotnych a reaktywnych dodatków i zapobiega zwiększaniu się zawartości azotu w stopie podczas wytopu. Zostaje zmniejszona zawartość pierwiastków szkodliwych i w rezultacie wytapiania w próżni uzyskuje się znaczne zwiększenie zawartości Al i Ti, co umożliwia zwiększenie udziału fazy g’ w stopie,

• zastosowanie krystalizacji kierunkowej w celu otrzymania w stopie ziaren równoległych do kierunku działania naprężeń,

• zastosowanie monokrystalizacji, czyli likwidacji granic ziaren,• zastosowanie kierunkowej krystalizacji stopów eutektycznych, przy któ rym zachodzi

wydzielanie się jednej z faz eutektyki (węglików, azotków) w po staci włókien równoległych do kierunku działania naprężeń,

• umocnienie osnowy stopu dyspersyjnymi cząstkami związków (głównie tlenków) poprzez spiekanie niklu lub stopów niklu z drobnymi cząstkami trwa łych tlenków,

• umocnienie osnowy stopu drutem wolframowym lub molibdenowym.Zakres temperaturowy obróbki plas tycznej stopów o dużej zawartości Al i Ti jest

jednak bardzo wąski i znajduje się tuż poniżej temperatury solidus.

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 87

Wśród nadstopów na osnowie niklu wyróżnia się nadstopy: obrabiane plastycznie, stosowane w stanie lanym i na łopatki monokrystaliczne.

Temperatura pracy stopów odlewniczych jest o około 30°C wyższa niż temperatura pracy stopów przerabianych plastycznie. Jednokierunkowa krystalizacja podwyższa tę temperaturę o dalsze 30°C, natomiast monokryształy mogą być stosowane w jeszcze wyższej temperaturze.

Stopy odlewnicze zawierają więcej Al i Ti oraz mają dodatki Nb i Ta. W stopach na łopatki monokrystaliczne nie są wymagane pierwiastki stosowane

w celu modyfikacji granic ziaren, tj. C, B, Zr i Hf, dlatego stopy te podczas obróbki cieplnej mogą być nagrzewane do wysokiej temperatury zapewniającej całkowite rozpuszczenie fazy g’ bez obawy nadtopień.

Oprócz przemysłu lotniczego, gdzie omawiane stopy znalazły głównie swoje zastosowanie, są one wykorzystane w przemyśle energetycznym i chemicznym do wyrobu części maszyn i urządzeń pracujących w najcięższych warunkach (turbi ny, przegrzewacze pary, rurociągi transportujące, ruchome taśmy pieców tunelowych itd.) [1, 7, 11].

Żaroodporne i żarowytrzymałe odlewnicze stopy niklu

Stopy na bazie niklu ogólnie są sklasyfikowane jako żaroodporne i żarowytrzymałe, gdy mogą być trwale używane w sposób ciągły, bądź cykliczny w temperaturze ponad 650°C.

Nikiel i chrom mają największy wpływ na odporność cieplną odlewów przez zwiększenie ich odporności na pełzanie, korozję wysokotemperaturową i zmęczenie cieplne. Te właściwości czynią odlewnicze stopy z dużym udziałem niklu lub wręcz na jego bazie, stopami żaroodpornymi i żarowytrzymałymi. Dużą rolę w procesie umacniania ziarna odgrywają: bor, cyrkon, węgiel i hafn.

Istotnym parametrem projektowym stopów żarowytrzymałych jest ich wytrzymałość na pełzanie. Zależność naprężenia – wywołującego wydłużenie o 0,0001% na jedną godzinę czasu podczas próby pełzania, od temperatury dla wybranych odlewniczych żarowytrzymałych stopów niklu i niektórych gatunków stali żarowytrzymałej pokazano na rysunkach 11 i 12, a naprężenie zrywające podczas wielogodzinnych prób pełzania – na rysunkach 13–16.

Na fotografiach (rys. 17–25) zaprezentowano kilka przykładów odlewów z żarowytrzymałych stopów niklu.

12/22

Żaroodporne i żarowytrzymałe, odlewnicze stopy nikluStopy na bazie niklu ogólnie są sklasyfikowane jako żaroodporne i żarowytrzymałe, gdy

mogą być trwale używane w sposób ciągły, bądź cykliczny w temperaturze ponad 650 oC. Nikiel i chrom mają największy wpływ na odporność cieplną odlewów przez zwiększe-

nie ich odporności na pełzanie, korozję wysokotemperaturową i zmęczenie cieplne. Te wła-ściwości czynią odlewnicze stopy z dużym udziałem niklu lub wręcz na jego bazie, stopami żaroodpornymi i żarowytrzymałymi. Dużą rolę w procesie umacniania ziarna odgrywają bor, cyrkon, węgiel i hafn.

Istotnym parametrem projektowym stopów żarowytrzymałych jest ich wytrzymałość na pełzanie. Zależność naprężenia wywołującego wydłużenie o 0,0001 % na jedną godzinę czasu podczas próby pełzania, od temperatury dla wybranych odlewniczych żarowytrzymałych sto-pów niklu i niektórych gatunków stali żarowytrzymałej zilustrowano na rys. 29 i 30, a naprę-żenie zrywające podczas wielogodzinnych prób pełzania – na rys. 31 - 34.

Rys. 29. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia wywołującego wydłużenie próbki o 0,0001 %w ciągu jednej godziny próby; porównanie stopów: HP, HT, HI, HF, HE, HD, HH-I i HH-II [12]

Rys. 30. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia wywołującego wydłużenie próbki o 0,0001 % w ciągu jednej godziny próby; porównanie stopów: HU, HT, HL, HX, HW, i HK [12]

Wyd

łuża

jące

nap

ręże

nie

pełz

ania

ksi MPa

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

56

42

28

14

01400 1600 1800 2000 oF760 872 982 1093 oC Temperatura

1400 1600 1800 2000 oF760 872 982 1093 oC

Temperatura

Wyd

łuża

jące

nap

ręże

nie

pełz

ania

ksi MPa

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

56

42

28

14

0

Rys.11.Wpływtemperaturypełzanianawartośćnaprężeniawywołującegowydłużeniepróbkio0,0001% wciągujednejgodzinypróby;porównaniestopów:HP,HT,HI,HF,HE,HD,HH-IiHH-II[12]

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

88 |

12/22

Żaroodporne i żarowytrzymałe, odlewnicze stopy nikluStopy na bazie niklu ogólnie są sklasyfikowane jako żaroodporne i żarowytrzymałe, gdy

mogą być trwale używane w sposób ciągły, bądź cykliczny w temperaturze ponad 650 oC. Nikiel i chrom mają największy wpływ na odporność cieplną odlewów przez zwiększe-

nie ich odporności na pełzanie, korozję wysokotemperaturową i zmęczenie cieplne. Te wła-ściwości czynią odlewnicze stopy z dużym udziałem niklu lub wręcz na jego bazie, stopami żaroodpornymi i żarowytrzymałymi. Dużą rolę w procesie umacniania ziarna odgrywają bor, cyrkon, węgiel i hafn.

Istotnym parametrem projektowym stopów żarowytrzymałych jest ich wytrzymałość na pełzanie. Zależność naprężenia wywołującego wydłużenie o 0,0001 % na jedną godzinę czasu podczas próby pełzania, od temperatury dla wybranych odlewniczych żarowytrzymałych sto-pów niklu i niektórych gatunków stali żarowytrzymałej zilustrowano na rys. 29 i 30, a naprę-żenie zrywające podczas wielogodzinnych prób pełzania – na rys. 31 - 34.

Rys. 29. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia wywołującego wydłużenie próbki o 0,0001 %w ciągu jednej godziny próby; porównanie stopów: HP, HT, HI, HF, HE, HD, HH-I i HH-II [12]

Rys. 30. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia wywołującego wydłużenie próbki o 0,0001 % w ciągu jednej godziny próby; porównanie stopów: HU, HT, HL, HX, HW, i HK [12]

Wyd

łuża

jące

nap

ręże

nie

pełz

ania

ksi MPa

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

56

42

28

14

01400 1600 1800 2000 oF760 872 982 1093 oC Temperatura

1400 1600 1800 2000 oF760 872 982 1093 oC Temperatura

Wyd

łuża

jące

nap

ręże

nie

pełz

ania

ksi MPa

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

56

42

28

14

0

Rys.12.Wpływtemperaturypełzanianawartośćnaprężeniawywołującegowydłużeniepróbki o0,0001%wciągujednejgodzinypróby;porównaniestopów:HU,HT,HL,HX,HWiHK[12]

13/22

Rys. 31. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (1 000 h); porównanie stopów HH-I, HH-II, HE, HF, HT i HK [12]

Rys. 32. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (1 000 h); porównanie stopów HP, HI, HW, HN, HU i HX [12]

1200 1400 1600 1800 oF650 760 872 982 oC

Temperatura

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksiMPa

20,0

15,0

10,0

5,0

0,0

136

102

68

34

0

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksi MPa

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

56

42

28

14

01400 1600 1800 oF 2000760 872 982 oC 1093

Temperatura

0

Rys.13.Wpływtemperaturypełzanianawartośćnaprężeniazrywającego; próbapełzaniadozerwaniapróbki(1000h);porównaniestopówHH-I,HH-II,HE,HF,HTiHK[12]

13/22

Rys. 31. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (1 000 h); porównanie stopów HH-I, HH-II, HE, HF, HT i HK [12]

Rys. 32. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (1 000 h); porównanie stopów HP, HI, HW, HN, HU i HX [12]

1200 1400 1600 1800 oF650 760 872 982 oC

Temperatura

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksiMPa

20,0

15,0

10,0

5,0

0,0

136

102

68

34

0

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksi MPa

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

56

42

28

14

01400 1600 1800 oF 2000760 872 982 oC 1093

Temperatura

0

Rys.14.Wpływtemperaturypełzanianawartośćnaprężeniazrywającego; próbapełzaniadozerwaniapróbki(1000h);porównaniestopówHP,HI,HW,HN,HUiHX[12]

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 89

14/22

Rys. 33. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (10 000 h); porównanie stopów HP, HN, HK, HT, HF i HH-II [12]

Rys. 34. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (100 000 h); porównanie stopów HP, HN, HK, HT, HF i HH-II [12]

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksi MPa

16,0

12,0

8,0

4,0

0,0

112

84

56

28

01300 1500 1700 1900 oF 705 816 927 1038 oC

Temperatura

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksi MPa

2,0

8,0

6,0

4,0

0,0

56

42

28

14

0

1200 1400 1600 1800 oF650 760 872 982 oC

Temperatura

10,0 70

0

0

Rys.15.Wpływtemperaturypełzanianawartośćnaprężeniazrywającego; próbapełzaniadozerwaniapróbki(10000h);porównaniestopówHP,HN,HK,HT,HFiHH-II[12]

14/22

Rys. 33. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (10 000 h); porównanie stopów HP, HN, HK, HT, HF i HH-II [12]

Rys. 34. Wpływ temperatury pełzania na wartość naprężenia zrywającego; próba pełzania do zerwania próbki (100 000 h); porównanie stopów HP, HN, HK, HT, HF i HH-II [12]

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksi MPa

16,0

12,0

8,0

4,0

0,0

112

84

56

28

01300 1500 1700 1900 oF 705 816 927 1038 oC

Temperatura

Zryw

ając

e na

pręż

enie

peł

zani

a

ksi MPa

2,0

8,0

6,0

4,0

0,0

56

42

28

14

0

1200 1400 1600 1800 oF650 760 872 982 oC

Temperatura

10,0 70

0

0

Rys.16.Wpływtemperaturypełzanianawartośćnaprężeniazrywającego; próbapełzaniadozerwaniapróbki(100000h);porównaniestopówHP,HN,HK,HT,HFiHH-II[12]

Rys.17.OdlewanystatywkrzyżowywykonanyzespecjalnejwersjistopuHP[12]

DuraloyTechnologiesInc.,Scottdale,Pennsylvania

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

90 |

Rys.18.WykonanezezmodyfikowanegostopuHPrurkimontowanewpiecachdoreformowaniapary –używanewprodukcjinawozówazotowych,alkoholumetylowegoirafinacjioleju[12]

WisconsinCentrifugal,Waukesha

Rys.20.StopCT15C(EN-GX10NiCrNb32-20)zostałużytydowykonaniategostożkowegozakończeniapiecaprzemysłowego[12]–odlewomasie2,4ton;2,5mśrednicyi0,5mgłębokości

Junker,Simmerath,Germany

Rys.19.ObudowyzaworówkulowychdlaprzemysłupetrochemicznegozestopuCT15C (EN-GX10NiCrNb32-20)wykonanezkilkuczęściodlewanychodśrodkowo[12]–średnicakuliwynosiokoło

35cali(880mm),adługość–około65cali(1640mm)

Schmidt+Clemens,Lindlar

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 91

Rys.21.Siedmiometrowykolektorwylotowypiecadoreformowania,omasie1,2ton,odlanydoformpiaskowychmetodąodśrodkową–wykonujesięgozestopuCT15C(EN-GX10NiCrNb32-20)iinnychstopów

żarowytrzymałych[12]

Pose-Marre,Erkrath,Germany

Rys.22.KolankawykonanezmodyfikowanegostopuHPzdodatkiemniobu[12]

TheCarondeletCorporation,Pevely,Missouri

Rys.23.ŁącznikiodlanerównieżzmodyfikowanegostopuHPzdodatkiemniobu[12]

TheCarondeletCorporation,Pevely,Missouri

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

92 |

Rys.24.RetortaodlanazestopuHT[12]

TheCarondeletCorporation,Pevely,Missouri

Rys.25.OdlewanyodśrodkowostopCT15Czostałzastosowanywtrójnikachwichczęściwalcowejprzechodzącejwstożek[12]–trójnikitestosowanesąwwylotachsekcjikolektorówpiecówdoreformowania

parywprodukcjinawozówazotowych,alkoholumetylowegoirafinacjioleju

WisconsinCentrifugal,Waukesha,Wisconsin

Jest liczna grupa stopów o bazowym składzie 35Cr-45Ni, które nie mają numerów UNS i nie są uwzględniane w specyfikacji ASTM. Te stopy wytrzymują najsurowsze warunki pracy, a duża zawartość niklu musi zapewnić bardzo wysoką odporność na nawęglanie [12].

Stopy o składzie w przybliżeniu 30Cr-50Ni (Super 22H) stosowane są w jeszcze wyższym zakresie temperatury 1065–1230°C. Jest to zakres pracy dla podajników rolkowych w piecach, rurowych elementów grzewczych, retort, mufli i elementów często wymienianych. Super 22H – jest to czasami używana nazwa ogólna, by odnieść się do tej rodziny stopów, ale jest to też stop konkretny. Te stopy posiadają doskonałe właściwości, w tym: zasięg temperatury eksploatacji, odporność na utlenianie i nawęglanie, odporność na korozję naprężeniową w chlorkach i kwasie wielotionowym, odporność na szoki cieplne i doskonałą stabilność wymiarową.

Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych i niektóre rafinerie, w których zużywane są turbiny eksploatowane w „żrących spalinach” ropy naftowej, w wirnikach kotłów, a obecnie i pieców stosują stop 50Cr-50Ni i stop 50Cr-50Ni-Nb do dieslowskiego silnika turbo. Modyfikacja niobem stopu 50Cr-50Ni-Nb zapewnia poprawę zarówno odporności na pełzanie, jak i wytrzymałości na pękanie wysokotemperaturowe. Odlewy z tego stopu znajdują szerokie zastosowanie między innymi w przetwórstwie ropy naftowej i w energetyce [12].

Wiele superstopów na bazie niklu, które ze względu na posiadane właściwości mechaniczne, były pierwotnie stosowanych w przemyśle lotniczym znalazło zastosowanie

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 93

Rys.26.RolkipiecówdopodgrzewaniakęsisklubpiecówtunelowychwykonanezestopuSuper22H[12]

DuraloyTechnologiesInc.,Scottdale,Pennsylvania

Rys.27.Tłumikigazówspalinowychwykonanezestopu50Cr-50Ni-Nb–czteryodlaneklapkisązłożonenaodlanejodśrodkoworurowejosi[12]

Pose-Marre,Erkrath,Germany

w innych rozwiązaniach. Przykładem takich stopów niklowo-chromowych jest Alloy 713C (Inconel 713C) [12].

Poniżej pokazano przykłady odlewów wykonanych z superstopów niklowo-chromowych (rys. 26 i 27).

Odlewy z nadstopów niklu wykonywane są często metodą odlewania precyzyjnego. Jednym z wiodących zakładów w Polsce produkujących takie odlewy, we współpracy z różnymi jednostkami badawczymi, jest WSK ”PZL Rzeszów” S.A. Na rysunkach 28 i 29 przedstawiono przykładowe odlewy krytycznych części silników lotniczych.

W firmie SPECODLEW sp. z o.o. w Krakowie wykonuje się ze stopów niklu, między innymi odlewy mis stosowanych w urządzeniach do produkcji włókien szklanych (rys. 30).

W Instytucie Odlewnictwa w ostatnim czasie prowadzi się prace nad zastosowaniem stopu H282 na odlewy pracujące w wysokiej temperaturze pod dużymi obciążeniami. Dotychczas stop ten stosowany był jako stop przerabiany plastycznie. Pierwsze próby w tym zakresie polegały na ocenie właściwości technologicznych (odlewniczych) tego stopu oraz doborze optymalnych parametrów obróbki cieplnej w celu uzyskania maksymalnej twardości i wytrzymałości na rozciąganie. Wykonano też pierwsze eksperymentalne odlewy dysz palnika do wygrzewania kadzi odlewniczej (rys. 31 i 32).

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

94 |

Rys.28.Łopatkiturbinyniskiegociśnienia isegmentyłopatkoweznadstopówniklu[13]

Rys.29.Aparatkierującyznadstopówniklu[13]

Rys.30.MisazestopuG-NiCr28WprodukcjifirmySPECODLEW

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 95

Kierunki rozwoju żarowytrzymałych stopów niklu

Odbiorcą stopów o najwyższej żarowytrzymałości są w coraz większym stopniu: przemysł chemiczny, petrochemiczny i technika jądrowa. Wzrastają w związku z tym wymagania odpowiedniej odporności eksploatacyjnej tych tworzyw w warunkach działania wysokiej temperatury oraz agresywnego chemicznie i fizycznie środowiska. Zwiększają się również wymagania w odniesieniu do podstawowych właściwości, takich jak: pełzanie, zmęczenie cieplne i niskocyklowe zmęczenie cieplno-mechaniczne oraz kruche pękanie w wysokiej temperaturze.

Rozwój tych stopów związany jest przede wszystkim z rozwojem turbin gazowych stacjonarnych oraz silników lotniczych, które pracują w złożonych warunkach obciążeń. Szczególnie odpowiedzialnym elementem turbiny są łopatki wirnika. Na ich właściwości, oprócz odpowiedniego doboru składu chemicznego i parametrów obróbki cieplnej, ma wpływ proces krystalizacji, w wyniku którego wytworzona może być struktura polikrystaliczna, kolumnowa (krzepnięcie kierunkowe) oraz monokrystaliczna. Łopatki turbiny o budowie polikrystalicznej, kolumnowej i monokrystalicznej przedstawiono na rysunku 33.

Rozwój krystal izacj i k ierunkowej nakreśla ogólne tendencje rozwoju żarowytrzymałych stopów niklu, głównie w kierunku zwiększania ich odporności na pełzanie w coraz trudniejszych warunkach pracy (wyższa temperatura, zwiększone obciążenia, agresywniejsze środowisko).

Rys.31.Suroweodlewydysz(zlewej)ikońcówekdysz(zprawej)dowygrzewaniakadziodlewniczejwykonanewInstytucieOdlewnictwa

Rys.32.Dyszadowygrzewaniakadziodlewniczejnastanowiskupracy(zlewej)iobraztermowizyjnykońcówkidyszy(zprawej)podczasjejeksploatacji

M. Pirowski, M. Kranc, K. Jaśkowiec

96 |

Rys.33.Makrostrukturałopatkiturbinyobudowieodlewej: polikrystalicznej,kolumnowej,monokrystalicznej[13]

Przy jednokierunkowym odprowadzaniu ciepła i dużym gradiencie temperatury można uzyskać ukierunkowane rozmieszczenie faz. Krystalizacja kierunkowa może doprowadzić do otrzymania materiałów o strukturze kolumnowej, o regularnej wielkości ziarna, ponadto może dotyczyć stopów eutektycznych, tzw. metalowych kompozytów in situ oraz stopów monokrystalicznych [13–16].

Prace nad doborem materiału o podwyższonej wytrzymałości i odporności na zmęczenie niskocyklowe w wysokiej temperaturze na tarcze silników turboodrzutowych doprowadziły w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia do praktycznego wykorzystania metod metalurgii proszków. Niezwykle mała wielkość ziarna proszkowych stopów żarowytrzymałych zapewnia elementom o stosunkowo dużych wymiarach podwyższoną plastyczność i udarność, otrzymując w niektórych stopach (TMP – Japonia) nieumacnianych tlenkami właściwości nadplastyczne. Technologia metalurgii proszków jest stosowana do wytwarzania elementów konstrukcyjnych z nadstopów konwencjonalnych, stopów o właściwościach nadplastycznych oraz umacnianych dyspersyjnie. Stopy wytwarzane metodą metalurgii proszków wykazują bardzo dużą czystość i jednorodność składu chemicznego oraz izotropowe właściwości. Tą metodą są wytwarzane również stopy standardowe, jakAstroloy, Rene95, MERL76, In853, stosowane między innymi do wykonywania elementów układów spalania turbin gazowych silników lotniczych, narzędzi do wyrobu włókna szklanego, podgrzewaczy powietrza w urządzeniach zapobiegających oblodzeniu samolotów. Metody metalurgii proszków pozwalają na wykonywanie części maszyn o skomplikowanych kształtach i wysokich właściwościach fizycznych i mechanicznych, szczególnie przy zastosowaniu technologii izostatycznego prasowania (HIP), przeprowadzanej w przypadku stopów niklu w temperaturze bliskiej rozpuszczalności fazy g’, tj. 1230°C [14].

Literatura

[1] Blicharski M.: Inżynieria materiałowa – stal, WNT, Warszawa 2004[2] Prowans S.: Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1988[3] Wesołowski K.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna, WNT, Warszawa 1978[4] Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 2007[5] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza, PWN, Warszawa – Kraków 1976[6] Dobrzański L.A.: Materiały metalowe. Stopy niklu i kobaltu, IMIiB, Gliwice 2007[7] Rudnik S.: Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1978[8] Norma PN-EN 10095:2002[9] Ziaja W.: Właściwości mechaniczne materiałów, Politechnika Rzeszowska, Materiały internetowe:

http://www.waldemarziaja.sd.prz.edu.pl/pl/67/art837.html

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznego

| 97

[10] Lis J.: Nauka o materiałach. Właściwości cieplne, Wykłady Katedry Technologii Ceramiki WIMiC AGH: http://cb6-181.ceramika.agh.edu.pl/kco/nowa/nom_XI.pdf

[11] Hernas A.: Żarowytrzymałość stali i stopów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999[12] Stainless Steel World. Materiały internetowe: http://www.stainless-steel-world.net/pdf/11022.pdf [13] Onoszko A., Kubiak K., Sieniawski J.: Turbine blades of the single crystal nickel based CMSX-6

superalloy, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineer ing, vol. 32, 2009; pp. 66–69

[14] Swadźba L., Śnieżek M. i inni.: Żarowytrzymałe stopy, obróbka cieplna oraz powłoki ochronne stosowane na elementy turbin gazowych, SECO/WARWICK; VII Seminarium Szkoleniowe „Nowoczesne trendy w obróbce cieplnej”, Świebodzin 2003

[15] Fraś E., Guzik E., Kapturkiewicz W., Lopez H.F.: Processing and microstructure of investment casting turbine blade NITAC in-situ composites. Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 5, Issue 1, 1996, pp. 103–110

[16] Fraś E., Guzik E.: Analisis of the microstructure in the NITAC composite in situ casting. IX Conference on Elektron Microscopy of Solids. Kraków-Zakopane, 6-9 May, 1996, pp. 663–666

98 |

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych

A device to test the thermal fatigue of metallic materials

Wstęp

Urządzenie do badań zmęczenia cieplnego ma pomagać w doborze materiałów (metali i ich stopów), a w szczególności żeliwa na różne elementy, w tym formy i kokile stosowane w przemyśle odlewniczym, szklarskim, itp., które pracują w wysokich wartościach temperatury. Wśród podstawowych parametrów mających wpływ na wybór tych materiałów jest odporność na zmęczenie cieplne i zmianę kształtów pod wpływem nierównomiernego nagrzewania.

Zmęczenie cieplne w układach rzeczywistych nigdy nie zachodzi w czystej postaci, lecz sumują się z nim:

• cykliczne naprężenia mechaniczne (zmęczenie cieplno-mechaniczne),• procesy korozyjne (zmęczenie cieplno-korozyjne),• ścieranie itp.

Głównymi czynnikami materiałowymi wpływającymi na wytrzymałość na zmęczenie cieplne tworzyw są:

• skład chemiczny materiału,• udział wtrąceń w materiale (czystość metalurgiczna),

Streszczenie

Wpracyprzedstawionokrótkącharakterystykęzmęczeniacieplnegoorazopiszjawiskfizycznychzachodzącychwmaterialepoddanymcyklicznemunagrzewaniu i studzeniu.Zaprezentowanotakżeróżnetypypróbek,jakistanowiskstosowanychdobadańzmęczeniacieplnegostopów. Zarysowanopowodyrozpoczęciapracnadbudowąwłasnegourządzenia,jakimotywywyborukonkretnychrozwiązań.Końcowymefektemstałysięzałożeniaprojektoweurządzenia,spełniającegowszystkiepotrzebypomiarowewymaganeprzeztwórców.Przedstawionorównieżgotoweurządzenieorazprowadzonenanimbadaniazmęczeniacieplnegostopów.

Słowakluczowe:zmęczeniecieplnestopów,urządzeniedobadaniazmęczeniacieplnego,prototyp,próbka,stopyżelazazwęglem

Abstract

Thepaperpresentsabriefdescriptionofthermalfatigueandofthephysicalphenomenathatoccurinmaterialssubjectedtocyclicheatingandcooling.Varioustypesofsamplesanddevicesusedinthermalfatigueofalloystestingwerealsodescribed. Thebackgroundofstudiestodesignandconstructownteststandanddevicewasdepicted,andreasonsforchoosingsomespecificsolutionswereexplained.Theendresultwasthedevelop-mentofguidelinesforthedesignofadevicethatwouldmeetallthemeasurementrequirementsimposedbytheresearchers.Thereadydevicewasalsopresentedwiththedescriptionoffatiguetestsofalloysmadewithitshelp.

Keywords:thermalfatigue,deviceforthermalfatiguetesting,prototype,sample,iron-carbonalloys

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych

| 99

• naprężenia własne,• właściwości mechaniczne materiału w podwyższonej temperaturze,• mikrostruktura materiału i warstwy wierzchniej [1, 2, 4].

Zmęczenie cieplne materiału jest to zjawisko pękania materiału pod wpływem cyklicznie zmieniających się naprężeń powstałych w materiale na skutek różnicy temperatury w sąsiednich warstwach materiału oraz korozji na powierzchni pęknięć, przyspieszającej to zjawisko.

Do oceny odporności na zmęczenie cieplne materiału przyjęto szereg wskaźników, przy czym za najważniejsze uznano intensywność uszkodzeń zmęczeniowych (mikropęknięć), oraz maksymalną głębokość pęknięć. Dla większości materiałów wyznacza się liczbę cykli do momentu powstania pierwszego pęknięcia makroskopowego (przerwanie cyklu testowania próbki).

Ogólny opis zjawisk fizycznych zachodzących w materiale poddanym gwałtownemu cyklicznemu nagrzewaniu i studzeniu oraz ich wpływu na zmęczenie cieplne przedstawiono na rysunku 1. Część górna rysunku [A] przedstawia teoretyczny wycinek ściany kokili podzielony umownie na szereg jak najcieńszych warstw (Wo – Wn) strefy jednokierunkowo nagrzewanej. Wycinek ten z jednej strony ([N] strzałki czerwone) nagrzewany jest od gorącego medium wlewanego do kokili (np. roztopiony metal), a z drugiej strony ([S] strzałki zielone) chłodzony medium chłodzącym (np. woda, gaz). Kolorem niebieskim oznaczono obszar warstw strefy neutralnej (zimnej). Kolorem szarym oznaczono obszar warstw strefy jednokierunkowo nagrzewanej i chłodzonej. Warstwa na styku medium nagrzewającego, a powierzchni kokili oznaczona jest jako warstwa zerowa (przejścia) [Wo]. Warstwa ta może obrazować warstwę pokrycia, które chroni powierzchnię kokili przed nadmierną erozją i korozją oraz może spowalniać jej nagrzewanie.

L

T

t1 t2

A

B T1

W(1-n)

T2

T3

N S

W0

T0

Tn+1

Tn

dT1

dT2

dT3

dTn

S. Z.

S. Z.

S. Z.

Sn(t1)Sn(t2) Rys.1.Uproszczonypoglądowymodel

rozkładutemperaturyinaprężeńwtrakcienagrzewaniajednostronnegoistudzenia

T. Grochal, K. Jaśkowiec, A. Pytel

100 |

Na części dolnej rysunku [B] przedstawiono wykres obrazujący rozkład temperatury warstw w strefie kokili jednokierunkowo nagrzewanej po czasie t1 i t2. Linia przerywana obrazuje rozkłady temperatury w warstwach dla materiału teoretycznie doskonale przewodzącego ciepło. Odbicie lustrzane tego rysunku, logicznie obrazuje uproszczony, poglądowy model rozkładu temperatury i związanych z nim naprężeń występujących w trakcie studzenia.

Analizując ten rysunek można wysunąć tezę, że różnice temperatury pomiędzy sąsiednimi warstwami [∆Tn = Tn - T(n+1)] są tym większe im warstwy są bliżej styku powierzchni kokili i medium nagrzewanego lub chłodzącego [∆T1 > ∆T2]. Różnice te są proporcjonalne do współczynnika przewodności cieplnej materiału kokili i są funkcją czasu t x [∆Tn(t1) > ∆Tn(t2)]. W wyniku różnicy temperatury pomiędzy sąsiednimi warstwami [∆Tn], pojawiają się naprężenia powstające na skutek rozszerzenia cieplnego materiału warstwy i ograniczenia jej możliwości rozszerzenia przez strefę neutralną (zimną) oraz kolejną warstwę o niższej temperaturze [T(n+1)].

Obciążenia zmęczeniowe cieplne są obciążeniami zmiennymi w czasie, typowymi obciążeniami dla różnorodnych kokil, form, części i podzespołów maszyn. Odpowiadające im naprężenia nazywane są naprężeniami zmęczeniowymi cieplnymi. Przebieg obciążeń cieplnych zmiennych w czasie jest określany jako widmo obciążenia. Może przebiegać nieregularnie, przypadkowo lub w sposób ustalony. Gdy segmenty obciążenia powtarzają się, co jest charakterystyczne dla obciążenia okresowo zmiennego, które nazywane jest obciążeniem cyklicznym (grzanie, studzenie), to w ciągu jednego okresu zachodzi pełen cykl zmian obciążenia, a analogicznie do tego pełen cykl zmian naprężeń cieplnych. Szczególnym przypadkiem obciążenia okresowo zmiennego jest obciążenie sinusoidalnie zmienne. Obciążenia te zostało przyjęte za podstawowe do wyznaczania właściwości zmęczeniowych. Wytrzymałość cieplna to graniczna amplituda do naprężeń cieplnych, poniżej której materiał nie ulega zniszczeniu (przy danej liczbie cykli – liczba cykli to wynik pojedynczego badania zmęczeniowego). Cykl naprężeń sinusoidalnie zmiennych jest opisany przez parametry: naprężenie maksymalne cyklu (obciążenie max.), naprężenie minimalne cyklu (obciążenie min.), okres zmian T lub jego odwrotność: częstotliwość zmian F. Ocenia się, że spośród zniszczonych podczas eksploatacji części poddanych działaniu zmiennych wartości temperatury 80% stanowią zniszczenia spowodowane zmęczeniem cieplnym. Istnieje wiele konstrukcji gdzie zmęczenie cieplne jest podstawowym czynnikiem powodującym zniszczenie danego elementu. Ciągły wzrost wymagań oraz względy ekonomiczne powodują, że grupa tych elementów stale się powiększa. Formy metalowe, bloki, głowice i kolektory silników spalinowych, tarcze hamulcowe, turbiny gazowe, elementy kotłów są przykładami konstrukcji, gdzie omawiany mechanizm zużycia jest dominujący.Rysunek 2 przedstawia przekrój próbki żeliwa sferoidalnego z charakterystycznym pęknięciem zmęczeniowym.

Rys.2.PęknięciezmęczenioweżeliwasferoidalnegogatunkuEN-GJS-700-2[2]

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych

| 101

Wybrane dostępne rozwiązania

W literaturze obserwuje się publikacje, w których autorzy wyznaczają zależności odporności na zmęczenie cieplne od właściwości materiałowych, których wartości powinny być jak największe dla:

• przewodnictwa cieplnego,• wytrzymałości na rozciąganie (Rm),• plastyczności – wydłużenie (A5),

oraz właściwości, których wartości powinny jak najmniejsze:• moduł sprężystości (E),• rozszerzalność.

Próby określania odporności na zmęczenie cieplne tworzyw przy pomocy przytoczonych parametrów i związanych z nimi obliczonych różnych wskaźników mają na celu przybliżoną jego ocenę i ograniczenie problemów, które towarzyszą badaniom zmęczeniowym. Jednak złożoność zagadnienia nie pozwala na wyznaczenie zależności właściwej dla większej grupy stopów żelaza z węglem [2, 3]. Biorąc pod uwagę powyższe podjęto decyzję o konieczności stworzenia stanowiska do badań zmęczenia cieplnego stopów metali, a głównie stopów żelaza z węglem.

Ze względu na brak standardów, istnieje wiele odmian próbek, jak i urządzeń. Przykłady próbek pokazano na rysunku 3.

Analizując zagadnienie projektu i wykonania urządzenia do badań zmęczenia cieplnego tworzyw w Instytucie Odlewnictwa rozważano kilka aspektów, między innymi:

• sposób grzania/chłodzenia próbek – adekwatny do badanej grupy materiałowej,• optymalny kształt próbki,• konstrukcję urządzenia,• opomiarowanie,• uniwersalność pozwalającą na wykorzystanie urządzenie w kilku wariantach oraz

możliwość dalszej jego rozbudowy.

Rys.3.Próbkistosowanewpróbachnazmęczeniecieplno-mechaniczne

[2,4,5]

T. Grochal, K. Jaśkowiec, A. Pytel

102 |

Na rynku znajdują się urządzenia przeznaczone do badań zmęczenia cieplnego. Przykładem tego typu rozwiązania jest system do badań zmęczeniowych firmy INSTRON (rys. 4). Jak już wspomniano wcześniej, nie ma jednolitej normy określającej warunki przeprowadzania prób na zmęczenie cieplne. Oprócz względów ekonomicznych bardzo ważne jest uzyskanie warunków zbliżonych do rzeczywistych parametrów pracy danego elementu.

Metody nagrzewania próbki mają istotne znaczenie ze względu na rozkład temperatury oraz propagację pęknięć. W większości istniejących rozwiązań stosuje się:

1. piecyk nagrzewający próbkę – piecyk (oporowy) nagrzewa próbką umieszczoną w jego wnętrzu. Rozwiązania tego typu stosowane są często w urządzeniach takich firm, jak INSTRON i Zwick, połączenie maszyny wytrzymałościowej oraz elementu grzejnego pozwala na pomiary pełzania, wytrzymałości na zimno i gorąco badanych próbek;

2. nagrzewanie oporowe próbki – do próbki przykłada się napięcie, powodując przepływ prądu o natężeniu pozwalającym na uzyskanie wymaganej temperatury;

3. nagrzewanie indukcyjne próbki – pole elektromagnetyczne wytworzone w uzwojeniu cewki nagrzewa próbkę;

4. nagrzewanie próbki płomieniem gazowym – płomień nagrzewa próbkę, jednocześnie następują reakcję między produktami spalania a powierzchnią próbki.

Chłodzenie realizuje się przez przedmuch powietrzem lub studzenie naturalne.

Rys.4.Komercyjnerozwiązaniestanowiskadobadaniazmęczeniacieplnegotworzyw,firmyINSTRON[7]

Na wynik końcowy pomiarów bardzo duży wpływ ma kształt próbki. W czasie badań bardzo często dochodzi do paczenia próbki, zwłaszcza w materiałach odlewanych (wady wewnętrzne). Możliwe jest, że próbki o różnym kształcie dają zgoła odmienne wyniki [5, 6]. Dlatego dobiera się kształt próbki w zależności od potrzeb pracy danego stopu (rys. 3).

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych

| 103

Rys.5.Ideamocowaniapróbkidobadańzmęczeniacieplnego

Ogólne założenia do opracowania urządzenia

Na podstawie analizy ogólnego opisu zjawisk fizycznych zachodzących w materiale poddanym gwałtownemu cyklicznemu nagrzewaniu i studzeniu oraz na podstawie przeglądu literatury, opracowano ideę pomiaru podstawowych parametrów mających wpływ na wybór materiałów odpornych na zmęczenie cieplne i zmianę kształtów pod wpływem nierównomiernego nagrzewania. Idea ta została przedstawiona na rysunkach 5 i 6.

Mocowanie próbki

Schemat mocowania próbki w urządzeniu przedstawia rysunek 5.

Możliwości pomiarowe urządzenia

Przewidziano następujące założenia dotyczące pracy:

• Wymuszone nagrzewanie i studzenie badanej próbki bp zgodnie z nastawionym programem:a. utrzymywanie zadanej temperatury bp przez określony czas,b. uzyskiwanie zadanej temperatury [°C] bp w określonym czasie [s],

T = f(t)c. poddawanie bp zmiennej cykliczne temperaturze,d. kontrola temperatury bp z możliwością rejestracji przebiegu w czasie.

T. Grochal, K. Jaśkowiec, A. Pytel

104 |

• Poddawanie bp określonemu naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu:Warunki kontrolnych wstępnych naprężeń i ograniczeń rozszerzenia i kurczenia się próbki.Na ustalenie tych warunków pozwalają ograniczniki zmian wymiarowych:

e. badana próbka bp mocowana jednostronnie, - wydłużenia i skurcze pod wpływem temperatury nieograniczone, - naprężenia wewnętrzne wynikające z oddziaływań zewnętrznych równe

zero,f. badana próbka bp mocowana dwustronnie,

- badana próbka bp bez wstępnych naprężeń, - swoboda wydłużeń i skurczów pod wpływem ograniczonej temperatury, - poddawanie bp wstępnemu naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu

o zadanej regulowanej wartości.• Warunki nagrzewania i studzenia próbki:

g. możliwość sterowania szybkością nagrzewania i studzenia części pomiarowej próbki,

h. regulacja mocy nagrzewania,i. ręczna regulacja przepływu medium chłodzącego (woda, powietrze).

• Możliwość ustawienia pracy cyklicznej – nagrzewanie i studzenie – dla ustalonych parametrów: j. szybkość nagrzewania,k. szybkość studzenia,l. minimalna temperatura wystudzenia.

• Możliwości pomiarowe urządzenia:a. pomiar temperatury Tbp, oC,b. pomiar zmian długości próbki ∆L, mm,c. pomiar naprężeń w bp d, MPa,d. pomiar zmian oporności elektrycznej na długości części pomiarowej.

Na rysunku 6 przedstawiono ideę sterowania i pomiarów opracowanego urządzenia.

Opracowanie kształtu i wymiarów próbki

Rys.6.Ideasterowania ipomiarówurządzeniadobadań

zmęczeniacieplnego

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych

| 105

Rys.7.Opracowanapróbkadobadaniazmęczeniacieplnego stopówżeliwazwęglem

Wykonane urządzenie do badania zmęczenia cieplnego

Na podstawie projektu i opracowanej przez Instytut Odlewnictwa dokumentacji zostało wykonane w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w Warszawie urządzenie do badań zmęczenia cieplnego stopów żelaza z węglem.

Efekt końcowy podjętych prac, to jest urządzenie, zostało przedstawione na rysunku 8. Urządzenie jest w pełni wykorzystywane, dostarczając interesujących danych. Wykonawca wprowadził zmiany ulepszające wykonanie oraz optymalizujące urządzenia, ale idea działania całego mechanizmu pozostała nie zmieniona. Przykładem zmiany jest zastosowanie przetwornika mocowanego w dolnej części urządzenia zamiast tensometrów mocowanych na cięgnach.

Uwzględniając właściwości termofizyczne stopów żelaza z węglem i parametry dostępnych zasilaczy opracowano próbkę do badań na urządzeniu (rys. 7):

Φ zewn. 6,2 mm; Φ wewn. 3,2 mmprzekrój=~20,22mm2

grubośćścianki=1,5mmgęstośćprądu=~20A/mm2

sumarycznenatężenieprądu=~400A

Rys.8.ZdjęcieurządzeniawykonanegowInstytutcieTele-iRadiotechnicznym

T. Grochal, K. Jaśkowiec, A. Pytel

106 |

Rys.9.Fotografiecyklunagrzewaniasiępróbki

Nagrzewanie i chłodzenie próbki

Po nagrzaniu próbki do zadanej temperatury następuje jej chłodzenie sprężonym powietrzem, natomiast uchwyty próbek są chłodzone wodą. Cykle nagrzewania i chłodzenia są powtarzane, aż do pęknięcia próbki. Dzięki zastosowaniu specjalnych materiałów izolujących oraz odpowiedniej konstrukcji uchwytów, próbka rozgrzewa się na środku części pomiarowej, nie nagrzewając części uchwytów (rys. 9).

Badanie próbki

Rysunek 10 przedstawia interfejs aplikacji sterującej pracą urządzenia do badania zmęczenia cieplnego oraz wykres temperatury i siły w funkcji czasu dla badanego żeliwa sferoidalnego.

Miarą odporności na zmęczenie cieplno-mechaniczne jest liczba cykli jaką próbka wytrzyma do powstania makropęknięcia, przy założonym prądzie i zakresie temperatury. Jak wspomniano wcześniej, urządzenie daje możliwość pracy w dwóch trybach mocowania próbki, pierwszy pozwala na swobodne wydłużenie się próbki równolegle do jej osi. W drugim trybie mocowanie ogranicza wydłużenie przez zastosowanie przetwornika.

Rys.10.Interfejsaplikacjisterującejpracąurządzeniadobadaniazmęczeniacieplnegoorazwykrestemperaturyisiływfunkcjiczasu

dlażeliwasferoidalnego

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowych

| 107

Rys.11.Próbkipozakończonychbadaniachzmęczeniowych:a)próbkazamocowanaswobodnie; b)próbkazograniczeniamirozszerzania/kurczenialiniowego

a) b)

Rys.12.Typowapowierzchniapróbkipozakończonejeksploatacjiwzmiennympolutemperatury(nagrzewanie-chłodzenie)

Na rysunku 11 przedstawiono próbki (odpowiednio powiększone) po eksploatacji w urządzeniu w zakresie temperatury od 100 do 850°C, przy czym pierwsza próbka (a) z siatką pęknięć była zamontowana swobodnie, a druga próbka (b) z ograniczonym ruchem wzdłuż osi próbki. Rysunek 12 przedstawia typową powierzchnię próbki po zakończonej eksploatacji w zmiennym polu temperatury (nagrzewanie 6000 C → chłodzenie 100°C).

Podsumowanie

Zmęczenie cieplne stopów żelaza z węglem jest zagadnieniem bardzo złożonym. Obejmuje wiele dziedzin nauki, między innymi: inżynierię materiałową, fizykę ciała stałego, chemię, termodynamikę, mechanikę. Szereg odlewanych elementów czy gotowych wyrobów obrobionych mechanicznie jest eksploatowanych w zmiennym polu temperatury (nagrzewanie → chłodzenie) z różną intensywnością. Dynamiczny rozwój przemysłu samochodowego, hutniczego (hutnictwo żelaza i metali kolorowych), szklarskiego, okrętowego itp. odsłonił nowe wyzwania do opracowywania coraz lepszych tworzyw odlewniczych, odpornych na działanie zmiennych pól temperatury, w zakresie 100–900°C. Mając na uwadze złożoność problemu, poszukuje się nieraz szybkich metod oceny odporności tworzywa na zmęczenie cieplne, nie zaniedbując wymienionych wcześniej dyscyplin naukowych.

Zastosowanie nowoczesnej aparatury badawczej znacznie przyśpiesza pracę i zwiększa szanse otrzymania interesujących wyników, pomagających w doborze optymalnych tworzyw przeznaczonych do konkretnych zastosowań. Przykładem jest przedstawione

T. Grochal, K. Jaśkowiec, A. Pytel

108 |

urządzenie opracowane w Instytucie Odlewnictwa i wykonane w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w Warszawie. Opisywane urządzenie jest przykładem nowoczesnego narzędzia spełniającego w tym zakresie oczekiwania badaczy.

Wstępne badania przeprowadzone na próbkach wykonanych z żeliwa o zróżnicowanym składzie chemicznym i strukturze, wykazały dużą przydatność tego urządzenia do badań i oceny tego konstrukcyjnego odporności tworzywa na zmęczenie cieplne.

Literatura

[1] Amar R.L., Antolovich S.D., Neu R.W.: Thermomechanical fatigue and bithermal–thermomechanical fatigue of a nickel-base single crystal superalloy, International Journal of Fatigue, 2012, No. 42, pp. 165–171

[2] Seifert T., Riedel H.: Mechanism-based thermomechanical fatigue life prediction of cast iron. Part I: Models, International Journal of Fatigue, 2010, No. 32, pp. 1358–1367

[3] Zych J.: Odporność na zmęczenie cieplne żeliwa z grafitem sferoidalnym, wermikularnym i płatkowym, Solidification of Metals and Alloys, 1995, No. 24, PL ISSN 0208-9386

[4] http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=142[5] Alfredsson B., Olsson E.: Multi-axial fatigue initiation at inclusions and subsequent crack growth in

a bainitic high strength roller bearing steel at uniaxial experiments; International Journal of Fatigue, 2012, No. 41, pp. 130–139

[6] Nogami S., Sato Y., Hasegawa A., Tanigawa H.: Effect of specimen shape on micro-crack growth behavior under fatigue in reduced activation ferritic/martensitic steel, Journal of Nuclear Materials, 2011, No. 417, pp. 131–134

[7] www.instron.com

| 109

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglem

A system for testing the thermal fatigue in iron-carbon based casting alloys

Wprowadzenie

Odlewnicze stopy żelaza z węglem, a szczególnie żeliwo znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu i są powszechnie stosowane m.in. w przemyśle maszynowym, kolejowym i samochodowym, itp. Szereg odlewanych elementów pracuje w warunkach zmęczenia cieplnego. Współcześnie dominującą rolę odgrywa żeliwo szare [1], ze względu na jego zalety związane z łatwością obróbki w procesie metalurgicznym – takie jak mały skurcz odlewniczy – zwiększona rzadkopłynność oraz dobre wypełnienie form odlewniczych. Inną zaletą tego materiału jest także jego niska cena.

Zarówno żeliwo szare, jak i inne gatunki żeliwa nie są pozbawione wad, a do najpoważniejszych zalicza się niewielką wytrzymałość zmęczeniową niektórych z nich. Jednak wśród różnych odmian żeliwa istnieje wiele tworzyw, których właściwości przewyższają parametry niektórych gatunków stali (np. żeliwo typu ADI), chociaż niekoniecznie nadają się do zastosowań, w których wymagana jest odporność na zmęczenie cieplne podczas pracy w zmiennym zakresie temperatury. Dlatego w dalszym ciągu prowadzi się badania w kierunku poprawy tej właściwości poprzez zmianę kształtu wydzieleń grafitu, osnowy metalowej, modyfikacji, czy obróbki cieplnej. Z tego też względu w procesie metalurgicznym wprowadza się różne modyfikatory lub wprowadza się do stopu

Streszczenie

Wpracyprzedstawionokoncepcjęnowoczesnegostanowiskadobadaniazmęczeniacieplnegopróbekwykonanychzodlewniczychstopówżelazazwęglem(żeliwo)otrzymywanych wprocesieodlewniczym.Zaprezentowanestanowiskojestprzystosowanedopracyzdalnejbeznadzoru. WurządzeniuzastosowanosiećEthernetdorealizacjifunkcjizdalnegodostępu,sterowaniaipomiarów.Wpracyprzedstawionezostaływymaganiastawianeurządzeniomdopomiarówzmęczeniacieplnegostopówżelazaorazzastosowanerozwiązania,którejespełniają.Opisanorównieżsposóbsterowaniasystemem.

Słowakluczowe:stopyżelazazwęglem(żeliwo),odlew,urządzenie,prototyp,badaniezmęczeniacieplnego

Abstract

Thepaperpresentstheconceptofamodernstandforthermalfatiguetestingofsamplesmadefromtheiron-carbonalloys(castiron)obtainedinametalcastingprocess.Thepresentedteststandisdesignedtoworkremotelywithoutsupervision.ThedeviceusesanEthernetnetworkforremoteaccess,controlandmeasurement.Thispaperpresentstherequirementsimposedontheequipmentforthemeasurementofthermalfatigueinironalloysandthesolutionsthatmeettheserequirements.Thetechniquebywhichacontrolofthesystemisexecutedhasalsobeendescribed.

Keywords:iron-carbonalloys,casting,device,prototype,thermalfatiguetesting

K. Król, Ł. Krzemiński, P. Gawryś

110 |

dodatkowe pierwiastki, takie jak: chrom, nikiel, molibden, aluminium, wanad, antymon itp., które zmieniają osnowę metalową stopu, a tym samym właściwości materiału [2, 3, 4].

Zmęczeniem cieplnym nazywamy proces degradacji parametrów mechanicznych, powstawania i rozwoju defektów strukturalnych oraz uszkodzeń (pęknięć) na skutek zmiany energii wewnętrznej pod wpływem okresowo zmiennego pola temperatury.

Ze względu na dużą liczbę czynników wpływających na odporność materiału na zmęczenie cieplne pod wpływem okresowo zmiennego pola temperatury, brak jest dotychczas standardowych rozwiązań stanowisk (urządzeń) do przeprowadzania tego typu prób i badań [5].

Większość rozwiązań bazuje na ogólnym rozwiązaniu przedstawionym przez Coffina [6], w którym próbka rurowa zamocowana jest w sztywnym uchwycie w ramie nieodkształcalnej w stosunku do próbki.

Działanie stanowiska polega na cyklicznym nagrzewaniu próbki przy pomocy prądu stałego, o natężeniu kilkuset amperów, do zadanej w danym teście temperatury maksymalnej, a następnie chłodzeniu próbki poprzez przepływ sprężonego gazu przez wnętrze próbki rurowej.

Wielokrotne powtarzanie cyklu grzejno-chłodzącego połączone z rejestracją parametrów elektrycznych (rezystancji próbki) i mechanicznych (w zależności od trybu pomiaru wydłużenia osiowego próbki lub siły z jaką próbka działa na sztywnie zamocowany uchwyt) w funkcji temperatury i liczby cykli pozwala na zbadanie długoterminowych zmian właściwości materiału próbki ze względu na wytrzymałość na zmęczenie cieplne.

W zaprojektowanym stanowisku próbki są typu rurowego o długości części pomiarowej 50 mm z zakończeniami zapewniającymi pewne mocowanie w uchwycie. Próbka przedstawiona jest na rysunku 1.

Rys.1.Próbkadobadaniazmęczeniacieplnegozaprojektowana wInstytucieOdlewnictwa(próbętęwinnejkonfiguracjipokazanotakże

wpoprzednimrozdziale–rys.7)

W celu dokładniejszego zrozumienia procesów zachodzących w materiale pod wpływem wstrząsu temperaturowego, często obciążonych dodatkowo zewnętrznymi siłami odkształcającymi, niezbędne jest wykonanie długotrwałych badań polegających na cyklicznym obciążaniu próbki. W zależności od materiału próbki i temperatury, do której jest ogrzewana, badanie może wymagać nawet tysięcy cykli pomiarowych wykonywanych w sposób ciągły. Z uwagi na dużą liczbę cykli, wykonanie takich badań jest możliwe jedynie z wykorzystaniem specjalizowanego stanowiska badawczego realizującego zadaną procedurę kontrolno-pomiarową automatycznie i bez nadzoru. Nowoczesne stanowiska tego typu są urządzeniami sterowanymi komputerowo, pozwalającymi, ze względu na długotrwały charakter tego typu badań – często trwający kilka dni – na zdalną kontrolę stanowiska bez obsługi pracownika oraz automatyczną rejestrację wyników pomiarowych i kontrolę parametrów próbki, jak i samego stanowiska.

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglem

| 111

Wymagania stawiane stanowisku pomiarowemu

Aby uzyskać wiarygodne wyniki badań zmęczenia cieplnego materiału należy zredukować wpływ czynników zaburzających wyniki pomiarów. Czynniki te można podzielić na:

- Czynniki mechaniczne:• ugięcie elementów stanowiska na skutek oddziaływania sił,• rozszerzalność temperaturowa elementów stanowiska,• wpływ masy elementów stanowiska na stan obciążenia próbki,• luz pomiędzy próbką, a uchwytem urządzenia pomiarowego.

- Czynniki termiczne:• bezwładność termiczna czujnika temperatury próbki,• nierównomierne nagrzewanie się próbki związane z przewodnictwem ciepła do

uchwytów,• nagrzewanie się elementów stanowiska od próbki,• wzrost impedancji połączenia próbki z uchwytem w funkcji temperatury,• znaczna nieliniowość charakterystyk przetworników siły i przemieszczenia

w funkcji temperatury poza zakresem stosowalności. - Czynniki elektryczne:

• powstawanie ogniw termoelektrycznych na stykach pomiaru impedancji,• spadki napięcia na innych elementach toru prądowego poza próbką,• szeroki zakres impedancji własnej różnych gatunków żeliwa.

Budowa urządzenia (stanowiska)

Urządzenie zostało wykonane na podstawie projektu i wstępnej dokumentacji wykonanej w Instytucie Odlewnictwa w ramach projektu nr POIG.01.03.01-12-061.

Stanowisko zaprezentowane na rysunku 2, składa się z części pomiarowej, w której znajduje się rama z uchwytami próbki i czujniki pomiarowe, oraz z części sterującej, w której znajdują się również obwody zasilania oraz system pomiarowy.

Rys.2.Stanowiskobadawczezmęczeniacieplnegomateriałów(urządzenietopokazanoprzymniejszympowiększeniuwpoprzednimrozdziale– rys.8)

K. Król, Ł. Krzemiński, P. Gawryś

112 |

Rys.3.Ramapomiarowastanowiskadobadańzmęczeniacieplnegomateriału

Konstrukcja ramy pomiarowej

Stanowisko w części pomiarowej zostało zrealizowane w układzie pionowym, konstrukcję zoptymalizowano pod względem osiowego rozkładu temperatury próbki i wyeliminowano wpływ grawitacji na możliwość wyboczenia próbki.

Głównym elementem stanowiska jest masywna rama pomiarowa. Jej elementy konstrukcyjne muszą zapewnić bardzo dużą sztywność układu. Siły występujące w próbce oddziałując na ramę wywołują odkształcenia o wartościach pomijalnych z punktu widzenia dokładności pomiaru (< 1µm).

Układ elementów ramy pomiarowej zaprezentowany został na rysunku 3. Rama pomiarowa składa się z dwóch słupów (2) osadzonych w płycie podstawy (1). Na słupach zainstalowano dwie belki stałe (3) oraz jedną ruchomą (4). W stanowisku próbka (6) została osadzona w dwóch jednakowych uchwytach (5). Jeden z uchwytów został osadzony na sztywnej i na stałe zamocowanej belce, natomiast drugi znajduje się w belce ruchomej osadzonej na łożyskach kulkowych. Masa belki ruchomej z uchwytem została zrównoważona (masą przeciwwagi) i nie wywiera dodatkowych sił na próbkę. Takie rozwiązanie pozwala zminimalizować oddziaływanie stanowiska na próbkę, a tym samym na wyniki pomiarów. Belka ruchoma w części dolnej wyposażona jest w uchwyt pozwalający na połączenie jej z przetwornikiem siły (7). Znając pole powierzchni próbki (30,63 mm2) można łatwo wyznaczyć naprężenia wewnątrz próbki.

Stanowisko może prowadzić pomiary swobodnego wydłużenia próbki materiału pod wpływem zmian temperatury. Do tego typu pomiarów należy zdemontować przetwornik siły. W takiej konfiguracji odczyt wydłużenia próbki realizowany jest czujnikiem przemieszczenia (8) z rozdzielczością 1 µm.

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglem

| 113

Rys.4.Uchwytypróbki

Konstrukcja uchwytu próbki

Uchwyt (rys. 4) mimo niewielkich rozmiarów został opracowany, tak aby zapewniał:• wytrzymałość mechaniczną wszystkich elementów uchwytu (wysokowytrzymałe

gatunki stali ulepszane cieplnie),• zabezpieczenie przed korozją elementów (pokrycia galwaniczne antykorozyjne), • izolację termiczną próbki od strony pomiarowej (C) pozwalającą na znaczną

redukcję gradientu temperatury (wkładka ceramiczna),• izolację elektryczną uchwytu (A) od konstrukcji stanowiska (twarde przekładki

izolacyjne),• zerowanie luzu części chwytowej próbki w uchwycie (B) (próbka jest skręcana

pomiędzy elementami uchwytu),• chłodzenie cieczą uchwytu (F) (chłodzenie ciągłe zabezpiecza elementy

urządzenia przed nadmierną migracją ciepła),• chłodzenie próbki gazem (E) (szybki spadek temperatury),• regulację siły docisku kontaktu elektrycznego do próbki aby ograniczyć straty

energii poza próbką (D) (zapewniając odpowiednio małą impedancję toru prądowego).

K. Król, Ł. Krzemiński, P. Gawryś

114 |

Rys.5.Wykresrozkładutemperaturynadługościpróbki

Aby wyniki pomiaru odkształcenia reprezentowały wydłużenie próbki w całej długości pomiarowej wymagane jest zachowanie osiągniętej temperatury na całej długości próbki. Wymóg ten jest trudny do zrealizowania ponieważ znaczna część ciepła wytwarzanego w próbce jest odbierana przez uchwyty. Zastosowanie przekładki ceramicznej oraz zapewnienie odpowiednich szczelin powietrznych między próbką, a uchwytem zmniejsza znacznie odpływ ciepła z próbki, a tym samym zwiększa obszar o założonej temperaturze (rys. 5).

Ze względu na znaczną wartość prądów grzejących (kilkaset A) i niską wartość rezystancji próbki (ok. 1 mΩ) do skutecznego jej grzania może dojść, gdy cały układ zasilający próbkę będzie miał mniejszą od niej rezystancję. Tor prądowy wykonany został z równolegle połączonych płaskowników z miedzi elektrolitycznej, o przekroju 2 x 240 mm2. Miedziany element kontaktowy w uchwycie, ze względów konstrukcyjnych, ma mniejszy przekrój od pozostałej części toru, jednak w tym obszarze jest on chłodzony przepływem wody. Kontakt pomiędzy elementem kontaktowym uchwytu a próbką jest ściśle uzależniony od siły dociskającej kontakt do próbki. Zależność rezystancji przejścia jest opisana poniższym wzorem i przedstawiona w funkcji siły dociskającej element kontaktowy na rysunku 6.

6

Ze względu na znaczną wartość prądów grzejących (kilkaset A) i niską wartość rezystancji próbki (ok. 1mΩ) do skutecznego jej grzania może dojść, gdy cały układ zasilający próbkę będzie miał mniejszą od niej rezystancję. Tor prądowy wykonany został z równolegle połączonych płaskowników z miedzi elektrolitycznej o przekroju 2x240mm2. W uchwycie miedziany element kontaktowy ze względów konstrukcyjnych ma mniejszy przekrój od pozostałej części toru, jednak w tym obszarze jest on chłodzony przepływem wody. Kontakt pomiędzy elementem kontaktowym uchwytu a próbką jest ściśle uzależniony od siły dociskającej kontakt do próbki. Zależność rezystancji przejścia jest opisana wzorem: (1) i przedstawiona w funkcji siły dociskającej element kontaktowy w na rysunku 6. Wzór (1) gdzie: Rpq – rezystancja zestyku w temp. q, ρq –rezystywność materiału zestyku w temp. q, x – empiryczny współczynnik charakterystyczny wynoszący 0,8-0,9 dla styków

powierzchniowych, - rezystywność warstw nalotowych zależna od rodzaju i grubości warstwy, dla miedzi = 10-

12 – 10-10 Ωm2, HB – twardość w stopniach Brinella, dla miedzi HB = (5 - 6) 108 N/m2, Fk – siła docisku styków.

Rys.6. Zależnośc rezystancji połączenia uchwytu z próbką w zależności od siły docisku

Siła docisku elementu kontaktowego jest bardzo ograniczona ze względu na parametry wytrzymałościowe miedzi. Dlatego w uchwycie do unieruchamiania próbki służy element dociskowy wykonany ze wytrzymałego gatunku stali. Element ten podobnie jak element kontaktowy ma bezpośredni kontakt z rozgrzaną próbką, dlatego też jest on wewnątrz uchwytu chłodzony cieczą. 5. System kontrolno - pomiarowy

gdzie: Rpϑ – rezystancja ze styku w temperaturze ϑ, ρϑ – rezystywność materiału ze styku w temperaturze ϑ,

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglem

| 115

Rys.6.Rezystancjapołączeniauchwytuzpróbkąwzależnościodsiłydociskupróbkidouchwytu

x – empiryczny współczynnik charakterystyczny wynoszący 0,8–0,9 dla styków powierzchniowych, s – rezystywność warstw nalotowych zależna od rodzaju i grubości warstwy (dla miedzi s = 10-12–10-10 Ωm2), HB – twardość w skali Brinella (dla miedzi HB = (5–6) 10-8 N/m2), Fk – siła docisku styków.

Siła docisku elementu kontaktowego jest bardzo ograniczona ze względu na parametry wytrzymałościowe miedzi, stąd w uchwycie do unieruchamiania próbki zastosowano element dociskowy, wykonany z wytrzymałego gatunku stali. Element ten podobnie jak element kontaktowy ma bezpośredni kontakt z rozgrzaną próbką, dlatego też jest on wewnątrz uchwytu chłodzony cieczą.

System kontrolno-pomiarowy

W części sterującej stanowiska zainstalowany jest system kontrolno-pomiarowy. Opracowane urządzenie spełniać musi kilka funkcji dotyczących sterowania wymuszeniem warunków w jakich prowadzony będzie pomiar (wymuszenie mocy grzejnej), a także zbierania i przetwarzania danych pomiarowych z zastosowanych czujników. System pomiarowy oprócz funkcji pomiarowych spełnia również funkcję kontrolne, takie jak: nadzorowanie czy prawidłowe są wartości zadane, monitoruje stan stanowiska pomiarowego oraz realizuje funkcje sygnalizacji i bezpieczeństwa.

Ze względu na przewidywaną dalszą rozbudowę stanowiska do jego realizacji wykorzystana została architektura rozproszona. Dodatkowym atutem tego typu systemu jest możliwość łatwego rozszerzenia układu o kolejne zdalne stacje monitorujące stan urządzenia, co przy długoczasowych pomiarach jest niewątpliwą zaletą.

System rozproszony składa się systemu nadrzędnego pełniącego funkcję kontrolera systemu i systemów podrzędnych. W rozwiązaniu przyjęto, że funkcję kontrolera systemu stanowić będzie komputer PC ze specjalnym oprogramowaniem. Wyróżniono trzy główne

K. Król, Ł. Krzemiński, P. Gawryś

116 |

System nadrzędny

System pomiarowy

System zasilania

System sterowania

Rys.7.Strukturasystemukontrolno-pomiarowegourządzeniadobadańzmęczeniacieplnegomateriałów

Rys.8.Strukturapodsystemuzasilaniaurządzeniadobadańzmęczeniacieplnegomateriałów

podsystemy wydzielone ze względu na funkcję i rodzaj sprzętu realizującego dane zadanie. Schemat struktury systemu przedstawiono na rysunku 7.

Podsystem zasilaniaPodsystem zasilania realizuje wymuszenie wartości zadanej mocy grzejnej na próbce

oraz pomiar prądu grzejnego niezbędny do obliczenia rezystancji próbki i jej zależności termicznej w przyjętej metodzie pomiarowej. Głównym elementem podsystemu jest programowalny zasilacz prądu stałego o dużej wydajności prądowej. Zasilacze komunikują się z systemem nadrzędnym za pomocą połączenia sieci Ethernet. Schemat podsystemu zasilania przedstawiony jest na rysunku 8.

Podsystem pomiarowyPodsystem pomiarowy spełnia funkcję układu akwizycji danych z czujników

pomiarowych zachowując wymagane zależności czasowe (realizacja równoległego pomiaru wartości mierzonych w pełni zsynchronizowanych czasowo). Schemat podsystemu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 9. System pomiarowy zbudowany jest w oparciu o system National Instruments Typu cDAQ z czterema wejściami analogowymi. Komunikacja z systemem nadrzędnym odbywa się za pomocą złącza USB. Złącze to, w przeciwieństwie do połączeń Ethernet, wymusza ograniczoną odległość systemu nadrzędnego od stanowiska, a tym samym wyklucza opóźnienia w przekazywaniu danych pomiarowych i ich desynchronizację.

W stanowisku za pomocą systemu pomiarowego dokonywane są pomiary: – napięcia na próbce, pozwalającego na określenie rezystancji próbki (zredukowane

napięcie termoelektryczne poprzez dobór materiałów elektrod pod względem współczynnika Seebecka),

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglem

| 117

Rys.9.Strukturapodsystemupomiarowego(zelementamipodsystemuzasilania)urządzeniadobadańzmęczeniacieplnegomateriałów

– pomiar temperatury za pomocą termoelementu o małej pojemności cieplnej dociskanej sprężyną do próbki,

– pomiar siły naprężenia w próbce – pomiar siły ogniwem tensometrycznym połączonym z próbką poprzez ruchomą i zrównoważoną belkę,

– pomiar wydłużenia – precyzyjnym czujnikiem przemieszczenia.

Podsystem sterowania

Podsystem sterowania odpowiedzialny jest za kontrolę i nadzór stanowiska pomiarowego. Jego zadaniem jest monitoring stanu pracy stanowiska, realizacja kontroli bezpieczeństwa w trakcie pomiaru oraz sygnalizacja stanu pracy stanowiska pomiarowego dla obsługi.

Podsystem sterowania zbudowany został w oparciu o sterownik PLC z interfejsem Ethernet. Do komunikacji z systemem nadrzędnym wykorzystywany jest protokół Modbus- TCP/IP z kontrolą przepływu danych.

Oprogramowanie stanowiska

Oprogramowanie kontrolno-pomiarowe zrealizowane zostało w środowisku LabVIEW (akronim od nazwy LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench) firmy National Instruments. Środowisko to jest przeznaczone do rozwoju programów w języku graficznym G [7]. Zarówno język G, jak i środowisko LabVIEW jest zoptymalizowane pod względem zastosowania w systemach kontrolno-pomiarowych.

Oprogramowanie kontrolno-pomiarowe zrealizowano w architekturze kolejkowej maszyny stanów [8]. Pozwala ona na realizację wielowątkowego programu, w którym obsługa interfejsu użytkownika oraz funkcji kontrolnych jest wykonywana równolegle.

Interfejs użytkownika Interfejs użytkownika podzielono na 4 sekcje: 1. Sekcja „Inicjalizacja” zawiera wszystkie ustawienia konfiguracji połączenia ze

sterownikiem PLC i zasilaczem wysokoprądowym. Wyświetlany jest też stan poszczególnych podsystemów i kontrolerów podsystemów, status sterownika PLC, aktywne zabezpieczenia (rys. 10a).

K. Król, Ł. Krzemiński, P. Gawryś

118 |

Rys.10.Interfejsużytkownikaurządzeniadobadańzmęczeniacieplnegomateriałów

a) b)

c)

2. Sekcja „Monitoring stanowiska” umożliwia podgląd parametrów stanowiska pomiarowego (rys. 10b).

3. Sekcja „Pomiary” służy do konfiguracji i wizualizacji pomiarów oraz kalibracji podsystemu pomiarowego. W lewej części sekcji możliwe jest ustawienie parametrów pomiarowych lub kalibracja. Natomiast prawa strona sekcji służy do prezentacji wyników pomiarów parametrów zaznaczonych do wyświetlenia w postaci graficznej. Na ekranie wyświetlany jest przebieg zmian parametrów od początku pomiaru, a oś jest automatycznie przeskalowywana (rys. 10c)

4. Sekcja „Pomiary-tabela” – wyniki podawane są w formie tabeli z wartościami.

Testy systemu pomiarowego

Wstępne testy pozwoliły na uzyskanie wykresów sił, temperatury i rezystancji.Rysunek 10 przedstawia początkowy fragment pomiaru zmęczeniowego próbki

realizowanego dla cyklicznego pola temperatury o ustalonych wartościach zgodnych z ustawieniami początkowymi.

Na rysunku 11 można łatwo zaobserwować moment, w którym próbka po raz pierwszy osiągnęła temperaturę około 700°C. Charakterystyczne dla późniejszego obciążania jest występowanie minimum siły działającej na belkę dolną urządzenia w chwili kiedy występuje maksimum zadanej temperatury. Jest to charakterystyczne w przypadku gdy materiał ulega odkształceniu nieelastycznemu i jest to dowodem występowania zmęczenia termicznego. Rysunek 12 przedstawia obszar pomiarowy stanowiska podczas pracy systemu.

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglem

| 119

Rys.11.Wykresyzmiantemperatury,siłyirezystancjipodczastestuurządzeniadobadańzmęczeniacieplnegomateriałów

a) b)

c)

Rys.12.Pracującysystemdobadaniazmęczeniacieplnegourządzenia dobadańzmęczeniacieplnegomateriałów

K. Król, Ł. Krzemiński, P. Gawryś

120 |

Rozbudowa stanowiska

Jako przyczynek do dalszej modernizacji stanowiska, w korpusie pomiarowym zainstalowano śrubę z przetwornikiem siły. Taki zestaw w połączeniu z ruchomą belką pozwoli na realizację zmiennego profilu naprężeń mechanicznych oraz pomiarów zrywania mechanicznego w podwyższonych wartościach temperatury. Aktualnie stanowisko wyposażono w pojedynczy zasilacz prądu, w pełni zapewniający prawidłowe pomiary zmęczenia cieplnego żeliwa i innych stopów żelaza z węglem, jednak istnieje możliwość dalszej rozbudowy urządzenia o kolejne dwa zasilacze. Pozwoli to rozgrzewać próbki prądem sięgającym wartości 1 kA. Po rozbudowie na stanowisku byłaby możliwość dokonywania pomiarów zmęczenia cieplnego także innych metali i stopów.

Literatura

[1] Yasuo O., Takusaburo H., Kiyotaka M., Takashi M., Takeshi S.: Effects of Shot-peening Treatment on Very Long Life Fatigue Property in Ductile Cast Irons, Tsinghua Science and Technology, 2008, Vol. 13, Issue 2, pp. 170–176

[2] Valle N., Theuwissen K., Sertucha J., Lacaze J.: Effect of various dopant elements on primary graphite growth, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 27, 2011

[3] Jakowluk A.: Procesy pełzania i zmęczenia w materiałach, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1993

[4] Pytel A., Sękowski K.: Perlitic vermicular graphite cast iron, International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies, AMPT, 99, Dublin City University, 1999, pp. 1381–1388.

[5] Pytel A., Pysz S.: The Problem of Performance Life of Structural Elements under the Conditions of Thermal Fatig. Teka Komisji Motoryzacyjnej i Energetyki Rolnictwa - OL PAN, 2011, No. 11, pp. 303–316

[6] Coffin L.F., Wesley R.P.: An Apparatus for the Study of the Effects of Cyclic Thermal Stress on Ductile Metals”, Trans. of ASME, 1954, nr 76, p. 923

[7] Smiesko V., K. Kovac K.: Virtual instrumentation and distributed measurement systems”, Journal of Electrical Engineering, 2004, T. 55, No. 1-2, pp. 50–54

[8] Bitter R., Mohiuddin T., Nawrocki M.: LabView advanced programming techniques”, CRC Press/Taylor & Francis Group, 2007

| 121

Komputerowa symulacja naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury

Computer simulation of stresses in large castings operating under the conditions of cyclic temperature changes

Streszczenie

Wpracyprzeanalizowanowpływkońcowychwłaściwościelementuodlewanego, wtymstrukturyorazwytrzymałościnajegoeksploatacjępodczaszmianpolatemperatury.Analizaparametróweksploatacyjnychumożliwiaokreślenienewralgicznychobszarówpoddawanychdużymprzeciążeniomtermicznymiwyznaczeniemaksymalnychnaprężeń,copozwalanaporównanieich zwłaściwościamipłytyjakoodlewuzarównodlażeliwaszarego,jakiżeliwawermikularnego.Obliczeniawykazałyiżzwiększeniewytrzymałościwodlewiepłyty,poprzezzastosowanieżeliwawermikularnegoopodwyższonejwytrzymałości,pozwalanajejpracęprzymaksymalnychstanachnaprężeńdo250MPa.Badaniaprzeprowadzonozwykorzystaniemobliczeńnumerycznych wprogramieMAGMASoft.

Słowakluczowe:odlewzżeliwa,zmiennepoletemperatury,symulacjanaprężeń,odlewduży, MAGMAsoft

Abstract

Thestudyexaminestheimpactofthefinalpropertiesofacastpart,structureandstrengthincluded,onitsoperationundertheconditionsofvaryingfieldsoftemperature.Analysisoftheoperatingparametersenabledspecifyingthecriticalareasundergoingmajorthermaloverloadsanddeterminationofmaximumstresseswhich,inturn,enabledtheobtainedpropertiestobecomparedwiththepropertiesofcastplatesservingasapointofreferenceforbothgreyandvermiculargraphitecastirons.Calculationshaveshownthatanincreaseinthestrengthofthecastplateduetotheuseofvermiculargraphitecastironofhighermechanicalpropertiesallowedthiscastingtooperateunderthemaximumstressconditionsofupto250MPa.TheconductedstudywasbasedonnumericalcomputationsmadeinaMAGMAsoftprogramme.

Keywords:ironcasting,variablefieldoftemperature,stresssimulation,largecasting,MAGMASoft

Do badań z wykorzystaniem obliczeń numerycznych, zastosowano odlewane płyty podkokilowe z żeliwa szarego i żeliwa z grafitem wermikularnym, o masie około 4,1 tony używane do odlewania kokil miedzianych. Właściwości płyt podkokilowych po odlaniu przedstawiono na rysunkach 1 i 2. W odlewie płyty z żeliwa szarego, wytrzymałość wynosi około 145 MPa. Wytrzymałość zwiększa się wraz z malejącym równoważnikiem węgla. Ma to oczywiście uzasadnienie w mniejszej tendencji do grafityzacji oraz powstawania struktury perlitycznej. W przypadku żeliwa, w którym równoważnik węgla jest duży, a skład zbliżony do eutektycznego, wytrzymałość maleje, gdyż dominuje struktura ferrytyczna. Grafit osłabia strukturę, stąd i wytrzymałość jest mniejsza.

Postać i kształt grafitu w żeliwie wermikularnym decyduje o jego mechanicznych właściwościach. Rozgałęziona struktura grafitu pozbawiona ostrych krawędzi zwiększa wytrzymałość osnowy metalowej odlewu. Dla podobnego udziału perlitu w strukturze, jak w płycie wykonanej z żeliwa szarego, wynoszącej około 40%, wytrzymałość odlewu

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

122 |

wykonanego z żeliwa wermikularnego wynosi 360 MPa. Tak znaczne zwiększenie wytrzymałości jest zasadniczo efektem postaci grafitu, jaki występuje w tym rodzaju żeliwa.

Rys.1.Udziałperlitu(%)wżeliwieszarympłytypodkokilowejorazwytrzymałośćnarozciąganieRm(MPa)

Średni udział perlitu w przekroju płyty, około 40% Wytrzymałość około 145 MPa

Rys.2.Udziałperlitu(%)wżeliwiewermikularnympłytypodkokilowejorazwytrzymałość narozciąganieRm(MPa)

Wytrzymałość około 360 MPaUdział perlitu 45%

W krzepnącym i stygnącym w formie odlewie powstają naprężenia cieplne. Wielkość naprężeń cieplnych jest zmniejszana poprzez obróbkę odprężającą. Nieprzeprowadzenie takiego procesu może spowodować, iż pozostające w odlewie naprężenia cieplne będą się sumować z naprężeniami eksploatacyjnymi podczas zalewania płyty miedzią. Wielkość naprężeń cieplnych po odlaniu jest nieduża i maksymalnie wynosi 50 MPa. Jednak są to naprężenia rozciągające i występują na krawędzi odlewu, w obszarze powstawania pęknięć. Na rysunku 3 pokazano rozkład naprężeń wzdłuż osi X.

Wykonane odlewy płyt podkokilowych pracują w zmiennym polu temperatury, jako elementy oprzyrządowania do odlewania miedzi w kokili. Proces wypełniania kokili trwa około 240 s (rys. 4). Po okresie krzepnięcia i stygnięcia, czyli po czasie od 120 do 180 min, boki kokili żeliwnej wraz z odlewem miedzianym są podnoszone. Następuje okres szybszego chłodzenia płyty podkokilowej, gdyż nie ma już kontaktu odlewu z płytą.

Celem dalszej analizy było określenie rozkładu pól naprężeń cieplnych powstających w płycie podkokilowej w trakcie zalewania miedzią, krzepnięcia i stygnięcia oraz wskazanie newralgicznych miejsc analizowanej konstrukcji, w których następuje silna ich koncentracja.

Komputerowa symulacja naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian ...

| 123

Rys.3.RozkładnaprężeńwzdłużkierunkuX

Na rysunku 5 przedstawiono rozkład temperatury w wybranych miejscach kokili podczas okresu krzepnięcia i stygnięcia odlewu miedzianego. Różnice w maksymalnych wartościach temperatury w obszarach będących w bezpośrednim kontakcie z ciekłym metalem wynosi blisko 200°C. Natomiast w całej płycie przekracza 500°C. Z analizy rozkładu temperatury w płycie po zalaniu miedzią wynika, że największe wartości temperatury występują w okolicach uchwytów oraz na narożach kształtujących dno formy i wynoszą ok. 800°C. Tak duże różnice generują znaczne naprężenia i odkształcenia w całej płycie. Ze względu na charakter odkształceń w płycie generowane są naprężenia rozciągające oraz ściskające. Na rysunku 6 przedstawiono rozkład naprężeń w przekroju płyty podkokilowej. W górnych warstwach płyty występuje rozciąganie, natomiast w dolnej części – ściskanie. Należy mieć na uwadze, że wartość tak naprężeń ściskających, jak i rozciągających podczas procesu odlewania ulega zmianie w czasie. Na rysunku 7 przedstawiono powiązanie rozkładu temperatury z wielkością naprężeń w płycie podkokilowej. W 11 minucie od zakończenia zalewania miedzi do kokili maksymalne naprężenia osiągają wartość 270 MPa, natomiast w 75 minucie spadają do około 190 MPa.

Rys.4.Konstrukcjakokiliżeliwnejdoodlewaniamiedziirozkładtemperaturywprocesiezalewania

płyta podkokilowa

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

124 |

200 oC

500 oC

Rys.5.Rozkładtemperaturywwybranychmiejscachwżeliwnejpłyciepodkokilowej

Rys.6.NaprężeniawkierunkuosiYodkształconejpłytypo76minutachodzalania

Naprężenia rozciągające

Naprężenia ściskające

Zmienny charakter naprężeń w płycie podkokilowej podczas jednego cyklu odlewania kokili miedzianej jest zobrazowany na rysunku 8. Punkt pomiarowy S1 znajdujący się w środku płyty charakteryzuje się w czasie procesu zmiennym kierunkiem naprężeń – od rozciągających, o wartości około 75 MPa, do ściskających osiągających wartość 50 MPa.

Na wartość maksymalnych naprężeń ma również wpływ czas, w którym następuje podniesienie odlewu na płycie podkokilowej. Wydłużenie czasu przetrzymywania odlewu powoduje wzrost temperatury płyty, a tym samym i zwiększenie maksymalnych naprężeń. Jednak nie jest to wzrost proporcjonalny do czasu, gdyż wydłużenie czasu z 850 do 1800 s skutkuje zwiększeniem naprężeń w punkcie pomiarowym S1 z około 195 MPa do około 210 MPa (rys. 9). Pewien wpływ na wartość maksymalnych naprężeń ma również początkowa temperatura płyty podkokilowej. Dla niższej początkowej temperatury formy podkokilowej generowane są wyższe maksymalne naprężenia. Krzywe rozkładu naprężeń (rys. 10) pokazują, iż w punkcie pomiarowym S1 maksymalne naprężenie dla początkowej temperatury płyty wynoszącej 100°C wynosi 195 MPa, natomiast dla temperatury początkowej 225°C spada do 195 MPa.

Komputerowa symulacja naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian ...

| 125

Rys.7.Rozkładtemperaturyoraznaprężeńwpłyciepodkokilowejw660i4560sekundziekrzepnięcia istygnięciaodlewumiedzianego

Rys.8.KrzywerozkładunaprężeńiodkształceniawpunktachS1,S2,S3iS4

+75 MPa

-50 MPa

S. Pysz, A. Pytel, R. Żuczek, T. Grochal, K. Jaśkowiec

126 |

Rys.9.Krzywerozkładunaprężeńdlaczasuwybiciapo1800i850sekundzie odzakończeniazalewaniakokili

210 MPa

Rys.10.Krzywerozkładunaprężeńdlapoczątkowejtemperaturypłytypodkokilowej:100°Coraz250°C

220 MPa

195 MPa

Rys.11.Krzywerozkładunaprężeńwpłyciewykonanejzżeliwaszaregozgrafitupłatkowego orazżeliwawemikularnego

195 MPa

Komputerowa symulacja naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian ...

| 127

Wnioski

Przeprowadzone obliczenia wykazały, że wytrzymałość na rozciąganie Rm płyty wykonanej z żeliwa szarego z grafitem płatkowym wynosi około 150 MPa, natomiast z żeliwa wermikularnego około 360 MPa.

Podczas eksploatacji w warunkach odlewania miedzi do kokili w płytach z żeliwa szarego powstają mniejsze naprężenia (max. 200 MPa), w porównaniu z naprężeniami w płytach z żeliwa wermikularnego (powyżej 250 MPa).

Na wielkość naprężeń ma wpływ początkowa temperatura płyty podkokilowej oraz czas wytrzymywania odlewu w kokili.

W celu wyeliminowania koncentracji naprężeń w obszarach zmian geometrii należy przejścia wykonywać z promieniem minimum 5 mm.

Rys.11.Krzywerozkładunaprężeńwpłyciewykonanejzżeliwaszaregozgrafitempłatkowym orazżeliwawemikularnego

Tabela1.Wpływwielkościpromieniaprzejścianawielkośćnaprężeń

Promień przejścia R1 = 0,1 mm R2 = 0,5 mm R3 = 2 mm R4 = 5 mm

Maksymalna wartość naprężenia odczytana na promieniu przejścia

70,3 MPa 62,5 MPa 42,3 MPa 32,5 MPa

Przeprowadzone obliczenia dla płyty wykonanej z żeliwa szarego z grafitem płatkowym oraz wermikularnrgo przedstawione na rysunku 11 wskazują, iż w płycie z żeliwa wermikularnego generowane są naprężenia większe. W środkowej części w punkcie pomiarowym S1 dla żeliwa szarego wynoszą one 195 MPa, natomiast w płycie z żeliwa wermikularnego przekraczają 250 MPa.

Przeprowadzono również analizę wpływu wielkości promienia przejścia na rozkład naprężeń w trakcie nagrzewania. Analizę rozkładu naprężeń w trakcie nagrzewania i wpływ promienia przejścia na wielkość maksymalnych naprężeń na krawędzi przeprowadzono przy założeniu czterech wartości promienia przejścia:

R1 = 0,1 mm; R2 = 0,5 mm; R3 = 2 mm oraz R4 = 5 mm.W trakcie przeprowadzonej symulacji komputerowej określono różnice w wielkości

maksymalnych wartości naprężeń, a otrzymane wyniki przedstawiono w tabeli 1.

128 |

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania w kokilach żeliwnych do odlewania stopów miedzi

Coatings for moulds and cores – a review of coatings currently available and examination and selection of optimum coatings for cast iron permanent moulds used in gravity die casting of parts from copper alloys

Wstęp

W procesie technologicznym wykonywania odlewów jednym z podstawowych zagadnień jest otrzymanie odlewów o wymaganych właściwościach technologicznych – bez wad odlewniczych – a także dobrej jakości ich powierzchni. Właściwości technologiczne odlewów są uzależnione od wielu różnych czynników wpływających na proces krystalizacji odlewów oraz kształtowania ich struktury. Należą do nich: skład chemiczny stopu odlewniczego, jego stan ciekły i obecność w nim różnych domieszek oraz warunki chłodzenia odlewów. Złożoność zachodzących procesów powoduje, że nie ma ogólnej teorii krystalizacji poszczególnych stopów, dlatego w praktyce do wykonywania odlewów o określonych właściwościach wykorzystuje się zależności pomiędzy właściwościami tworzywa, a parametrami procesu jego wykonywania. Prowadzone są liczne prace badawcze nad tymi zagadnieniem, a jednym z podstawowych kierunków realizowanych badań jest dokładniejsze poznawanie podstawowych zjawisk fizykochemicznych decydujących o jakości odlewów. Podczas zalewanie form ciekłym metalem mamy do czynienia z układem technologicznym składającym się: z ciekłego metalu oraz powierzchni formy odlewniczej, do której jest wlewany lub też z układem: ciekły metal – pokrycie formy odlewniczej – materiał formy. W układzie tym następuje wzajemne oddziaływanie czynników fizykochemicznych, zachodzące na powierzchni kontaktu różnych faz i materiałów.

Streszczenie

Wprezentowanejpracyprzeprowadzonoanalizęzagadnieńzwiązanychzteoriąipraktykąstosowaniapokryćdlaróżnychtechnologii.Wramachprzeprowadzonychbadańopracowanotechnologicznąpróbętestowąumożliwiającąbadaniapokryćnakokileorazprzedstawionowynikipracdotyczącychdoboruistosowaniaoptymalnychpokryćdowykonywaniaodlewówzmiedzi wkokilachżeliwnych.

Słowakluczowe:pokrycie,kokilażeliwna,odlewkokilowy,odlewzestopumiedzi

Abstract

Inthepresentedpaper,variousissuesrelatedwiththetheoryandpracticeoftheapplicationofcoatingsindifferenttechnologieswereanalysed.Aspartofthestudy,atechnologicaltestwasdevelopedtoenabletestingthesamplesofcoatingsforpermanentmoulds,andtheresultsofworkontheselectionandapplicationofoptimalcoatingsforcastingofcopperalloysincastironpermanentmouldswerepresented.

Keywords:coating,castironpermanentmould,gravitydiecasting,castingmadefromcopperalloy

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 129

Celem realizowanych prac było zbadanie niektórych podstawowych czynników omawianego układu oraz określenie ich wpływu na zjawiska zachodzące na granicy faz ciekły metal – pokrycie formy odlewniczej – materiał formy. Chodzi o takie zagadnienia jak zwilżalność powierzchni formy, jej zależność od temperatury metalu, a także od zastosowanych materiałów formy i pokrycia, wpływ tych czynników na reaktywność ciekłego stopu w kontakcie z wybranymi materiałami, reakcje chemiczne zachodzące w tym obszarze powodujące agresywne działanie ciekłego metalu, itp. Zbadanie wymienionych zjawisk i czynników umożliwiłoby wyjaśnienie pewnych naukowych aspektów omawianego zagadnienia, pozwoliłoby to praktycznie na wytypowanie materiałów form i pokryć optymalnych dla danych stopów odlewniczych oraz na wytypowanie optymalnej technologii ich stosowania.

W prezentowanej pracy oprócz zagadnień związanych z teorią i praktyką stosowania pokryć dla różnych technologii, przedstawiono wyniki prac dotyczących doboru pokryć o optymalnych właściwościach do wykonywania odlewów z miedzi, z zastosowaniem odlewania kokilowego. Skupiono się na zagadnieniach dotyczących otrzymania odlewu o wymaganej jakości oraz ochrony kokili w wyniku izolacji zabezpieczającej kokilę przed bezpośrednim cieplnym i chemicznym oddziaływaniem ciekłego metalu w wyniku ograniczenia przewodnictwa cieplnego, a także poprawy trwałości kokili poprzez zastosowanie odpowiedniego pokrycia.

Informacje podstawowe dotyczące pokryć (powłok) stosowanych na formy i rdzenie

Przez pojęcie pokrycie lub powłoka rozumie się warstwę materiału o odpowiednim składzie, którą nanosi się na powierzchnię formy lub rdzenia, w celu zabezpieczenia metalu odlewu przed przypaleniem do powierzchni formy, wzmocnienia powierzchni formy i rdzenia lub też spowodowanie zmian właściwości powierzchniowych metalu, z którego wykonany jest odlew [1, 2, 3]. W zależności od przeznaczenia, pokrycia dzielimy następująco:

• pokryciapasywne(ochronne) – pokrycia te nie powodują zmian składu chemicznego warstwy powierzchniowej odlewu (naskórka odlewów), ich zadaniem jest jedynie uzyskanie gładkiej powierzchni odlewu, bez przypaleń i wżerów. Nazywa się je pokryciami ochronnymi,

• pokryciaaktywne – stosuje się je w celu zmiany właściwości warstwy powierzchniowej odlewów poprzez wprowadzenie do tej warstwy określonych składników. Korzystne jest gdy pokrycie aktywne spełnia również funkcję pokrycia ochronnego,

• pokryciawzmacniające – stosuje się je w celu polepszenia niektórych właściwości warstwy powierzchniowej masy formierskiej lub rdzeniowej, to jest zwiększenia wytrzymałości, zmniejszenia osypliwości.

Pokrycia ochronne są to materiały, które nanosi się cienką warstwą na powierzchnię formy odlewniczej lub rdzenia – stosowane są głównie dla form i rdzeni piaskowych. Pokrycia te mogą być jedno- lub wieloskładni kowe, można je stosować w postaci proszku (pudru), pasty lub ciekłej substancji. Najczęściej stosowane są ciekłe pokrycia ochronne, które nanosi się na powierzchnię form lub rdzeni przez: malowanie pędzlem, natryskiwanie, zanurzanie lub polewanie.

Zastosowanie pokryć ochronnych ma na celu uzyskanie odlewów o lepszej jakości powierzchni, to jest o małej chropowatości, wolnej od wad odlewniczych. Uzyskuje się to dzięki:

• zakryciu porów między ziarnami masy i zapobieżeniu penetracji ciekłego stopu odlewniczego w głąb masy,

Z. Stefański, A. Pytel

130 |

• zmniejszeniu adhezji masy do powierzchni odlewu,• przeciwdziałaniu powstawaniu fałd i pęknięć,• zwiększeniu wytrzymałości warstwy powierzchniowej formy lub rdzenia.

Dla spełnienia powyższych wymagań pokrycie ochronne musi spełniać następujące wymagania:

• osnowa pokrycia musi posiadać wysoką ogniotrwałość wyższą od temperatury wlewanego do wnęki formy ciekłego stopu odlewniczego. W przypadku pokrycia ciekłego wymagane jest, aby składało się ono z osnowy o wysokiej ognioodporności oraz niewielkiej ilości materiału wiążącego i stabilizującego;

• osnowa pokrycia oprócz wymaganej ogniotrwałości musi posiadać odpowiednią spiekalność, ułatwia to oddzielanie się pokrycia od powierzchni odlewu. Stosuje się nawet regulowanie temperatury spie kania przez zastosowanie dodatków obniżających temperaturę [4];

• nie może reagować z tlenkami metali w podwyższonej temperaturze;• musi być odporna na erozję ciekłego metalu podczas zalewania form;• musi posiadać odpowiednią wytrzymałość powierzchniową oraz być silnie związana

z powierzchniową warstwą masy formy lub rdzenia;• nie może pękać i łuszczyć się podczas suszenia lub utwardzania i nie może

łuszczyć się podczas odlewania;• musi posiadać małą gazotwórczość podczas oddziaływania wysokiej temperatury,

przez to nie może powodować powstawania wad powierzchniowych odlewów typu nakłucia, pęcherze, ospowatość.

W niektórych przypadkach bardzo istotnym jest, aby pokrycie ochronne spełniało rolę warstwy izolacyjnej, to jest zmniejsza ło szybkość odprowadzania ciepła w czasie krystalizacji i stygnięcia odlewu, zapobiega to zmianie składu chemicznego powierzchniowej warstwy odlewu.

Jak wynika z powyższego skuteczność działania pokryć ochronnych zależy od wielu czynników. Są to z jednej strony czynniki związane z jakością pokrycia, a więc z jego składem i właściwościami, z drugiej strony z jakością odlewanego stopu, głównie chodzi o rodzaj tlenków tworzących się na powierzchni ciekłego metalu, kolejne czynniki dotyczą masy formierskiej lub rdzeniowej, na którą naniesione jest po krycie. W przypadku tych ostatnich czynników, wpływających na zachowanie i skuteczność stosowania pokryć ochronnych, mają znaczenie skład masy i jej właściwości, takie jak wytrzy małość i rozszerzalność (różnica rozszerzalności masy i pokrycia nie powinna przekraczać 0,1%). Należy również mieć na uwadze rodzaj stosowanego oddzielacza nanoszonego na modele odlewnicze, jego pozostałość na formie lub rdzeniu, a także ewentualny jego wpływ na oddziaływanie na omawiany układ.

Ciekłe pokrycia ochronne składają się najczęściej z trzech do czterech składników, są to: osnowa, materiał wiążący, stabilizator gęstości oraz rozcieńczalnik. Gdy materiał wiążący spełnia równocześnie rolę stabilizatora (np. glina formierska, dekstryna, ług posiarczynowy) wówczas pokrycia składają się z trzech składników. Osnowa może być jedno- lub kilkuskładnikowa. Jako rozcieńczalniki stosuje się wodę (ciekłe pokrycia wodne) lub inne ciecze, głównie alkohole (ciekłe powłoki bezwodne). Pasty składają się zazwyczaj z trzech składników, to jest materiału wiążącego, osnowy i rozcieńczalnika.

Podstawowym komponentem pokryć ochronnych jest osnowa, materiał ten nie powinien wchodzić w reakcję ani z tlenkami ciekłego metalu, ani składnikami masy. Osnowa nie powinna być zwilżana przez ciekły metal, nie może również wydzielać gazów pod wpływem wysokiej temperatury wlanego do wnęki formy ciekłego metalu. Materiały literaturowe podają wymagania dotyczące składu ziarnowego osnowy, zaleca się aby średnia wielkość ziarna zawierała się w granicach 0,05–0,08 mm [2, 3]. Przyjmuje się, że

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 131

osnowa powinna całkowicie przeniknąć przez sito o wielkości oczka 0,2 mm. Pozostałość na sicie o prześwicie oczka 0,16 nie może przekraczać 5%, a suma odsiewu i przesiewu przez sito o prześwicie oczka 0,04 mm nie powinna być mniejsza od 75% (BN-83/4021-11). Nie zaleca się także zbyt dużej ilości frakcji bardzo drobnych, gdyż wymaga to zwiększenia dodatku materiału wiążącego, a to może być przyczyną pękania warstwy powłoki ochronnej. Ziarnis tość osnowy decyduje o porowatości i wielkości porów, a zatem i o możliwości filtracji ciekłego stopu odlewniczego w głąb masy formierskiej. Filtracja zależy od średnicy porów, napięcia powierzchniowego ciekłego stopu i ciśnienia metalostatycznego [5].

Najczęściej stosowanym materiałem, ze względu na wysoką ogniotrwałość oraz małą zwilżalność przez ciekły metal, jest grafit stosowany w pokryciach jako naturalny lub sztuczny. Pokrycia zawierające samą osnowę grafitową stosuje się przede wszystkim do wszystkich rodzajów żeliwa, a także do stopów miedzi i aluminium. Może być on zastosowany także do niektórych gatunków żeliwa stopowego, na tomiast nie jest używany do staliwa węglowego. Ujemną cechę pokryć grafitowych jest duży współczynnik przewodzenia ciepła i ciemna barwa. Jest ona przyczyną szybszego nagrze wanie się powierzchni wnęki formy i rdzenia, w wyniku oddziaływania promienio wania ciekłego metalu podczas zalewania form. Jest to zjawisko niekorzystne w przypadku wykonywania masywnych odlewów o dużych płaskich górnych powierzchniach [1]. Wpływ barwy powłoki na szybkość nagrzewania się powierzchni wnęki formy przedstawiono na rysunku 1 [5].

Cyrkon, podobnie jak grafit, należy do najczęściej stosowanych materiałów do pokryć. Jest on stosowany najczęściej samodzielnie, ale może być także stosowany wraz z innymi osnowami. Główne zalety pokryć cyrkonowych to wysoka ogniotrwałość, minimalna zwilżalność przez ciekły metal, a także obojętność chemiczna tlenków metali w podwyższonej tempera turze. Zalety te zapobiegają powstawaniu wad odlewniczych typu przypaleń i wżerów. Z tego powodu cyrkon jest używany szczególnie do przygotowywania pokryć do staliwa, a także do wszystkich rodzajów żeliwa.

Kolejnym najczęściej stosowanym materiałem do osnowy w pokryciach ochronnych jest koks, używa się go głównie do powłok przeznaczonych na formy i rdzenie do żeliwa. Może on stanowić samodzielny składnik osnowy, jednakże częściej jest stosowany łącznie z innymi osnowami, głównie z grafitem. Zale tami koksu jest duża odporność na temperaturę, mała skłonność do reagowania z tlenkami i mała zwilżalność przez większość ciekłych metali („stopów odlewniczych”).

Rys.1.Wpływczasunagrzewania(promieniowania)natemperaturępowierzchniwnękiformypokrytejpowłokamiobarwachciemnej

i jasnej [5]

Z. Stefański, A. Pytel

132 |

Węgiel bezpostaciowy (sadzę) stosuje się samoistnie w postaci sypkiej jako zewnętrzną warstwę ochronną, szczególnie na kokile przy odlewaniu żeliwa i stopów Al.

Talk jest stosowany do wykonywania pokryć ochronnych dla odlewów ze stopów miedzi i aluminium, a także do drobnych odlewów ze wszystkich rodzajów żeliwa. Dzięki białej barwie powłok ochronnych z tym materiałem mniejsza jest ich szybkość nagrzewania podczas napełniania wnęki formy metalem ciekłym, co jest ich zaletą (rys. 1).

Kwarc znajduje zastosowanie do sporządzania powłok do wykonywania odlewów żeliwnych, najczęściej łą czenie z grafitem i koksem, a także do drobnych i śred nich odlewów ze staliwa węglowego.

Szamot stosowany jest w powłokach ochronnych do staliwa, głównie na formy i rdzenie wykonane z mas szamotowych.

Kolejne interesujące materiały powłok to magnezyt spieczony i magnezyto-chromit. Materiały te posiadają wysoką ogniotrwałość, dlatego stosuje się do sporządzania pokryć na rdzenie i formy do staliwa stopowego, a przede wszystkim do austenitycznego staliwa manganowego. Stosuje się je w postaci pokryć bezwodnych, gdyż zawarty w materiale CaO ulega w obecności wody hy dratacji, tworząc niepożądany osad.

Glinokrzemiany stosuje się do wykonywania powłok do staliwa, np. pirofyllit Al2[OH]2[SiO4O10] [7]. Używa się także niekiedy sylimanitu, jak i cy janitu. Glinokrzemiany są najczęściej stosowane do sporządzania powłok do stopów miedzi.

Korund jest używany bardzo rzadko, głównie na pokrycia ochronne na formy i rdzenie dla masywnych odlewów staliwnych, a także że liwnych. Korundem zastępuje się niekiedy cyrkon, który może reagować z tlenem przy dużej zawartości Fe2O3 w masie formierskiej [8].

Łyszczyki (miki) stosuje się najczęściej w pokryciach do sto pów miedzi, a także do stopów aluminium [5].

Kolejnymi składnikami pokryć ochronnych wymagającymi omówienia są materiały wiążące. Używa się zarówno materiały pocho dzenia organicznego i nieorganicznego. Ich zastosowanie ma na celu związanie powłoki z masę formy lub rdzenia, a także uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości i odpor ności na ścieranie pokrycia. Wybór materiału wiążącego jest uzależniony od rodzaju osnowy i rodzaju rozcieńczalnika. Niezbędne jest również uwzględnienie ewentualnego wydzielania węgla błyszczącego przez materiał wiążący. Jest to istotne w przypadku wykonywania odlewów ze staliwa, dla większości których materiały wiążące o takiej tendencji są nie wskazane.

Do najczęściej używanych ma teriałów wiążących stosowanych do ciekłych pokryć wodnych należy zaliczyć:

• organiczne: dekstryna, ług posiarczynowy, rzadziej melasa, ług posiarczynowy;• nieorganiczne: bentonit, glina ogniotrwała, szkło wodne sodowe, fosforany.

Do pokryć bezwodnych używa się jako materiałów wiążących głównie żywic syntetycznych, rozpuszczalnych w alkoholach lub w innych cieczach (np. żywice fenolowo-formaldehydowe typu nowolak, żywice naturalne i niekiedy inne rozpuszczalne tworzywa sztuczne). Spośród materiałów nieorganicznych najczęściej stosuje się bentonit organofilny. Dodawanie do powłok bezwodnych bentonitu zwykłego (hydrofilnego) nie jest wskazane.

Kolejna grupa materiałów stosowanych w pokryciach ochronnych to materiały stabil izujące, stosowanie ich ma na celu zapobieganie sedymentacji osnowy w rozcieńczalniku, czyli stabilizację gęstości ciekłego pokrycia, a także zabezpieczenie przed przenikaniem rozcieńczalnika zbyt głęboko w masę formy lub rdzenia.

Stosowane najczęściej materiały stabilizujące: • w pokryciach wodnych: bentonit, glina formierska, pochodne celulozy, alginiany

(pochodzenia roślinnego sole kwasu alginowego). Stosowanie dekstryny lub ługu

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 133

posiarczynowego jako – materiału wiążącego, także polepsza stabilność powłoki ochronnej;

• w pokryciach bezwodnych: bentonit organofilny. W niewielkim stopniu stabilizują gęstość pokrycia również zawarte w nim żywice.

Przy większej gęstości materiału osnowy, pomimo zastosowania stabilizatorów, niezbędne jest ciągłe mieszanie pokrycia na stanowiskach powlekania rdzeni lub form. Stosowanie pokryć wodnych wymaga podsuszania form lub rdzeni, natomiast pokrycia bezwodne są zwykle podpalane.

Pokrycia aktywne stosowane są w celu zmiany właściwości warstwy powierzchniowej odlewów, poprzez wprowadzenie do tej warstwy określonych składników. Celem ich stosowania jest również zabezpieczenie powierzchniowej warstwy odlewu (a także warstw głębszych) przed niepożądanymi zmianami ich właściwości, spowodowanymi zastosowanym procesem technologicznym. Przykładem może być zapobieganie zabieleniu odlewów żeliwnych wykonywanych w formach metalowych (kokilach). Pokrycie aktywne może równocześnie spełniać funkcję pokrycia ochronnego.

Oddziaływanie pokrycia aktywnego może zachodzić przez: • dyfuzję składników osnowy do powierzchniowej warstwy odlewu,• stopienie składników osnowy przez warstwę ciekłego metalu będącego w kontakcie

z pokryciem ochronnym,• przenikanie ciekłego stopu odlewniczego w pory między ziarnami osnowy po krycia

aktywnego. Procesy dyfuzji zachodzą głównie, gdy następuje w warstwie powierzchniowej

nasiarczanie i nawęglanie lub odwęglenie. Składniki pokryć o niskiej temperaturze topnienia, takie jak: tellur, cynk, bizmut, stop Ni-Cr-B-Si, zostają stopione przez ciekły metal i wnikają w warstwę powierzchniową – znaczną rolę odgrywa także dyfuzja.

Pokrycia aktywne składają się z osnowy zawierającej dodatki działające aktywnie na warstwę powierzchniową odlewów, materiału wiążącego, rozcieńczalnika. Osnowa zawiera takie podstawowe dodatki, jak: Bi, C, Co, Cr, Mg, Mn, Mo, Ni, S, Sb, Sn, Te, Ti, W, Zn i inne, dodawane w postaci technicznie czystej oraz/lub jako związki: Fe-Si, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-W, Fe-Mo, Ni-Cr-B-Si, Fe2O3, FeS, FeS2 węgliki, węgiel drzewny [1]. Pokrycie aktywne stosuje się głównie w odlewnic twie żeliwa i staliwa.

Jako materiał wiążący stosuje są najczęściej szkło wodne sodowe, a także może być to glina ogniotrwała, bentonit, dekstryna. Rozcieńczalnikiem jest zwykle woda, a w przypadku pokryć bezwodnych alkohol, np. izopropylowy.

W pokryciach tych wprowadzane są także niektóre dodatki dla uzyskania pewnych efektów, przykładowo: celem wyrównanie strat cieplnych wynikających z ochładzającego działania składników stopowych obecnych w powłoce lub w celu podniesienia temperatury warstwy (mieszanina tlenku żelaza i pyłu alumi niowego [9]); w celu stworzenia od powiedniej atmosfery (Fe2O3 – do powłoki kobaltowej lub koks mielony – do powło ki cynkowej [10]); w celu zabezpieczenia ziaren metalicznych przed utlenianiem oraz oczyszczenia ich powierzchni z tlenków stosuje się boraks, tlenek boru, kwas borowy [9], soda dodana do węgla drzewnego powoduje na węglanie powierzchniowe.

W źródłach literaturowych opisano w jaki sposób poszczególne składniki pokryć oddziałują na właściwości warstwy powierzchniowej odlewów. Poniżej przedstawiono je skrótowo:

• chrom, Fe-Cr (niskowęglowy) – zwiększa odporność na ścieranie i utlenianie żeliwa szarego [9];

• cynk (z pyłem koksowym) – zapobiega powstawaniu pęknięć skurczowych (żeliwo białe) [10];

Z. Stefański, A. Pytel

134 |

• bizmut – zwiększa szczelność odlewów z żeliwa szarego (zapobiega powstawaniu rzadzizn) bez zwiększania skłonności żeliwa do zabielania [11];

• kobalt (z Fe2O3) – zapobiega powstawaniu pęknięć skurczowych – żeliwo białe [10];• cyna lub cyna + antymon – zmniejszają ilość ferrytu w powierzchniowej warstwie

odlewów żeliwnych [12, 13];• siarka, siarczki żelaza – zwiększają odporność na ścieranie odlewów staliwnych

[14];• Fe-Si, wraz z grafitem – zapobiegają zabieleniu w odlewach z żeliwa szarego

wykonywanych w kokilach [15];• sadza – zapobiega zabieleniu w odlewach z żeliwa szarego wykonywanych

w kokilach [15];• magnez, fluorek magnezu, krzemek magnezu – powodują sferoidyzację

powierzchniowej warstwy odlewów żeliwnych [16, 17, 18];• stop Ni-Cr-Si-B – zwiększa twardość i odporność na ścieranie żeliwa szarego [19]; • tellur – zwiększa szczelność odlewów z żeliwa szarego (zapobiega powstawaniu

rzadzizn), zwiększa twardość i odporność na zużycie [11];• pokrycia tellurowe zaleca się także do powlekania form przeznaczonych do

utwardzonych hutniczych walców z żeliwa [20];• węgiel drzewny (z sodą) – zwiększa twardość odlewów [14].

W niektórych przypadkach podczas projektowania formy należałoby zwracać szczególną uwagę na konstrukcję układu wlewowego. Chodzi o to, że składniki osnowy, pokryć aktywnych, o stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia (np. tellur 1390°C), stykające się z przepływającym stopem odlew niczym [11], mogą migrować w głąb odlewu, czasem może to być niepożądane. Pokrycia mogą również powodować niezamierzone, szkodliwe, zmiany właściwości powierzchniowej warstwy odlewu, przykładowo: nawęglenie, nasiarczanie, zwyrodnienie grafitu kulkowego.

Pokrycia wzmacniające to ostatnia grupa pokryć, opisano je tutaj bardzo pobieżnie, gdyż w realizowanej pracy nie będą wykorzystane jednak przedstawiono je ażeby zamknąć całość tematu dotyczącego powłok.

Pokrycia te stosuje się w celu polepszenie niektórych właściwości powierzchniowej warstwy wnęki formy lub rdzenia, głównie w celu jej wzmocnienia, zabezpieczenia przed osypywaniem się oraz wymywaniem masy przez ciekły metal. Poniżej przedstawiono kilka przykładowych składów:

• dyspersje wodne polimerów (otrzymane w wyniku polimeryzacji emulsyjnej) o stężeniu 40–50%, nanoszone poprzez natryskiwanie na powierzchnię wnęki wilgotnej formy z masy z bentonitem, a także na powierzchnię rdzeni. Najczęściej stosowane są dyspersje z poli metakrylanów zmieszanych z ługiem posiarczynowym, zawierającym około 53% wody [4], zmniejszają one osypliwość masy;

• roztwór wodny ługu posiarczynowego, natryskiwany na powierzchnię formy z masy klasycznej (głównie syntetycznej), stosuje się głównie w celu zmniejszenia osypliwości;

• roztwory alkoholowe żywic syntetycznych – przykładowo typu nowolak, nanoszone są na powierzchnię rdzeni sporządzonych z mas z innymi spoiwami, np. na rdzenie z masy ze szkłem wodnym sodowym utwardzonej CO2, w celu zwiększenia wytrzymałości powierzchniowej warstwy masy [1].

Pokrycia na formy metalowe (kokile)

W dotychczasowej analizie omówiono różne rodzaje stosowanych powłok (pokryć), a także ogólne zagadnienia teoretyczne oraz praktyczne związane z ich zastosowaniem,

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 135

przedstawiono różne rodzaje materiałów stosowanych w pokryciach, ich właściwości, sposób działania itp. Analizowane zagadnienia, celem pełnego omówienia, dotyczyły zarówno stosowania pokryć przeznaczonych na formy wykonywane z mas formierskich oraz rdzeniowych, jak i przeznaczonych na formy metalowe (kokile).

Mając na uwadze fakt, że prace realizowane w ramach projektu dotyczą aspektów badawczo-rozwojowych, technologicznych i praktycznych związanych z wykonywaniem odlewów w formach metalowych (kokilach), w dalszej części omówiono zagadnienia dotyczące stosowania pokryć na kokile, ich oddziaływania w układzie technologicznym: ciekły metal – pokrycie – forma metalowa, celem próby wyjaśnienia zjawisk decydujących o jakości odlewów oraz optymalizacji jakości ich powierzchni w wyniku doboru odpowiedniego pokrycia. W realizowanym projekcie, prace dotyczyły miedzi technicznie czystej, o zawartości około 99% Cu, z której będą wykonywane odlewy w kokilach żeliwnych dla których zastosowane zostaną dobrane i przebadane w ramach tej pracy pokrycia ochronne. Należy również zaznaczyć, że odlewy wykonane z miedzi będą następnie stanowiły kokile do wykonywania kolejnych odlewów z miedzi – również technicznie czystej.

Pokrycia nanoszone na powierzchnię roboczą form metalowych (kokil) są to zwykle pokrycia pasywne (ochronne). Podstawowe zadanie pokryć stosowanych dla kokil to uzyskanie odlewów o wymaganej jakości, dobrej powierzchni, a także ochrona powierzchni kokili, jej smarowanie oraz izolacja zabezpieczająca kokilę przed bezpośrednim cieplnym i chemicznym oddziaływaniem ciekłego metalu, a więc w sposób istotny zwiększenie trwałości formy metalowej [21, 22]. Ponadto znaczenie pokryć polega na możliwości regulacji ilości ciepła przekazywa nego kokili przez odlew w jednostce czasu, a więc również regulacji szybkości krzepnięcia odlewu i wpływania w ten sposób na strukturę odlewa nego stopu. W przypadku bezpośredniego stykania się ciekłego metalu z powierzchnią kokili (bez pokrycia) następowałaby dyfuzja, w wyniku której na granicy styku metal-kokila powstawałyby stopy pośrednie, a po procesie krystalizacji, odlew przywierałby do wnęki kokili powodując trudności związane z wyjmowaniem od lewu oraz możliwość jego odkształcenia lub zniszczenia. Powodowałoby to zniszczenie gładzi wnęki kokili i zmiany jej wymiarów. Jednym z zadań pokrycia jest zapobieganie wymienionym wyżej skutkom niepożą danych zjawisk.

Przy niewielkich zbieżnościach ścian kokili może zachodzić duże tarcie na ścianach odlewu w czasie jej wyjmowania. Kolejne zadanie pokryć to zmniejszenie tarcia na powierzchni styku kokili z odlewem.

Sama konstrukcja odlewu i kokili, nawet najbardziej racjonalna, nie zawsze wystarcza do uzyskania pożądanego krzepnięcia kierunkowego. Właściwości izolujące cieplnie odpowiednio dobranej grubości warstwy po krycia umożliwiają, uzyskanie prawidłowej krystalizacji odlewu i jego właściwe zasilanie ciekłym metalem.

Wpływ pokrycia na trwałość kokili

Porównując wykonywanie odlewów w masach formierskich oraz w kokilach podstawowa różnica między nimi to duża prze wodność cieplna materiału formy metalowej, w porównaniu z formą pias kową. Przykładowo współczynnik przewodzenia ciepła kokili żeliwnej wynosi około 35–55 kcal/(m · h · K), zaś współczynnik przewodzenia ciepła wilgotnej formy piaskowej tylko 0,9–2,2 kcal/(m · h · K). Kokila odprowadza z odlewu duże ilości ciepła w krótkim czasie, poszczególne jej elementy nagrzewają się nierównomiernie, a to powoduje z kolei szybkie jej zużycie. Zapobiega się temu głównie przez stosowanie pokryć ochronnych [22, 23]. Podstawowe działanie pokryć ochronnych to zmniejszenie naprężeń cieplnych w kokili oraz ochrona przed wżerami i wykruszaniem.

Podczas wlewania metalu do kokili jej wnęka robocza nagrzewa się znacznie silniej niż jej powierzchnie zewnętrzne. W wyniku tego kokila w pobliżu wnęki rozsze rza się bardziej

Z. Stefański, A. Pytel

136 |

niż elementy oddalone od tej wnęki, wskutek czego powstają naprężenia. Naprężenia te osiągają maksimum podczas odlewania, a następ nie zmniejszają się w miarę wyrównywania temperatury w całym przekroju formy metalowej. Naniesienie na powierzchnię roboczą materiału izo lującego cieplnie odlew od kokili zmniejsza te różnice temperatury, a tym samym również naprężenia cieplne materiału formy metalowej.

Naprężenia cieplne w kokili maleją ze zwiększeniem grubości pokrycia termoizolacyjnego. Przy pokryciach o grubości od 0,2 do 0,5 mm następuje w kokili szybki spadek naprężeń, wraz z dalszym wzrostem grubości pokrycia naprężenia zmniejszają się już nieznacznie, natomiast pokrycie ma skłonność do łatwego odpryskiwania. Ogólnie wiadomo, że naprężenia cieplne są przyczyną pęknięć kokili i wycofania jej z produkcji.

Wżery powstające na powierzchni kokili są drugą, najczęściej spotykaną przyczyną przedwczesnego zniszczenia formy metalowej. Występowanie wżerów wiąże się z korozją międzykrystaliczną i „rośnięciem” żeliwa w podwyższonej temperaturze, szczególnie w miejscach kokili narażonych na przegrzanie, a więc na elementach układu wlewowego, narożach i wszel kich wybrzuszeniach wnęki roboczej.

Pokrycia na kokile dzieli się w zależności od przewodności cieplnej, któ ra jest jednym z najważniejszych parametrów tych pokryć. Pokrycia dobrze przewodzące ciepło są to pokrycia czarne, głównym ich składnikiem jest grafit. Stosuje się je w cienkich warstwach w tych miejscach wnęki kokili, gdzie zależy nam na szybkim odprowadzeniu ciepła. Równocześnie pokrycia te ze względu na obecność grafitu spełniają rolę smarującą i zabezpieczającą przed przyklejeniem. Przewodność cieplna pokryć grafitowych wynosi 62,8–167,5 kW/(m · K).

Drugi rodzaj to pokrycia źle przewodzące ciepło (izolujące cieplnie), zwane pokryciami białymi, zawierają one różne białe składniki ceramiczne, jak np. kreda, glinka szamotowa, tlenek cynku, tlenek glinu, talk itp. Przewodność cieplna tych pokryć wynosi 12,5–41,9 kW/(m · K). Stosuje się je zazwyczaj w grubych warstwach, powyżej 0,2 mm, a czasem od 1 do 2 mm, w tych miejscach, w których odlewy powinny krystalizować z mniejszą prędkością, a więc w celu kierowania procesem krzepnięcia. Często stosuje się je do pokrywania układu wlewowego i nadlewów oraz wnęki odtwarzającej odlew, w pobliżu nadlewów [23].

Wymagania stawiane pokryciom na kokile oraz skład pokryć

Pokrycia na kokile powinny odpowiadać następującym wymaganiom [24]:• w zależności od przeznaczenia pokrycie powinno mieć odpowied nią przewodność

cieplną (małą, większą, a nawet bardzo dużą);• pokryc ie musi mieć odpowiednie właśc iwości f izyczne, chemiczne

i fizykochemiczne, nie może ono reagować ani z materiałem formy, ani z ciekłym metalem wlewanym do wnęki. Nie może być zwilżane przez ciekły metal, musi mieć dobre właściwości smarujące. Po jego wysuszeniu musi posiadać odpowiednią chropowatość w zależności od rodzaju wykonywanych odlewów, mniejszą dla odlewów mniejszych (bardziej gład kich), bardziej chropowatą dla dużych odlewów, chodzi tutaj o możliwość odpowietrzenia powierzchni kokili (jej wnęki). Gładkie pokrycia uniemożliwiają wystarczającą wentylację kokili. Również mniej szorstkie pokrycia wiążą słabo tlenki z ciekłego metalu;

• pokrycie powinno być łatwo nanoszone, musi charakteryzować się dobrą przyczepnością do ścian kokili. Jakość po wierzchni bezpośrednio po nałożeniu pokrycia powinna być zgodna z wy maganiami;

• trwałość pokrycia powinna być duża, powinno wytrzymać co najmniej jedną zmianę, przy ewentualnych niewielkich po prawkach w czasie odlewania;

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 137

• pokrycie powinno być w miarę łatwo usuwalne z wnęki kokili wówczas, gdy poprawki nie będą możliwe oraz istnieje konieczność usunięcia zużytego pokrycia celem naniesienia nowego;

• pokrycie powinno być łatwe w przygotowaniu i stosowaniu.Największe trudności wynikają z wymagań dotyczących wy sokiej trwałości i łatwości

usuwania. Wysoką trwałość uzyskuje się przez stosowanie mocnych pokryć, z dużą ilością spoiwa. Pokrycia takie jednak są trudne do usunięcia. Z tego powodu musi się stosować rozwiązania pośrednie (kompromisowe). Również nie zawsze dla wszystkich rodzajów odlewów można wytworzyć uniwersalne pokrycie. Dlatego w przemyśle odlewniczym stosuje się wiele różnych gatunków pokryć.

Pokrycia na kokile składają się zazwyczaj z trzech pod stawowych składników: materiału ceramicznego, spoiwa i rozpuszczalnika lub też z czterech, gdy dodatkowym składnikiem jest aktywizator, czyli środek poprawiający przyczepność pokrycia do ścianek kokili.

Przy doborze materiałów na pokrycia kokil należy uwzględnić na stępujące wymagania [22, 23]:

• materiały ceramiczne dobrze przewodzące ciepło oraz smarne – do grupy tych materiałów należy właściwie tylko grafit, pozostałe to materiały, które źle przewodzą ciepło i których jest bardzo dużo. Do materiałów źle przewodzących ciepło, jednakże posiadających właściwości smarne ułatwiające przepływ metalu należą: glinki, tlenek glinu, tlenek żelaza, tlenek magnezu, krzemionka, tlenek cynku oraz najlepiej smarujący – talk;

• materiały ceramiczne o złej przewodności cieplnej, obniżające prędkość krystalizacji i stygnięcia odlewu, sprzyjające zmniejszeniu naprężenia w odlewie – materiałów tych jest bardzo wiele. Zarówno materiały z pierwszej grupy, jak i drugiej powinny odznaczać się wysoką temperaturą topnienia, być chemicznie trwałe, a więc nie ulegać rozkładowi w zetknięciu z ciekłym metalem oraz nie powinny wydzielać gazów.

Najlepszą przyczepność i trwałość po krycia zapewniają materiały ognioodporne w postaci koloidalnej.

Stosowane najczęściej materiały wiążące do pokryć o dobrej przyczepności z kokilą to przykładowo: szkło wodne, boraks, tlenek sodu, syrop skrobiowy, ług posiarczynowy, dekstryna i inne. Jako materiał wiążący stosuje się szkło sodowe o module 2,5 do 3,0 i o gęstości około 1,45 kg/m3.

Bardzo duże znaczenie mają aktywizatory stosowane do pokryć, podwyższają one znacznie przyczepność pokryć do ścianek ko kili. Jako aktywizatory zaleca się stosować:

• dla pokryć szamotowych – boraks i kwas borny (Na2B4O7 · 10H2O, H3BO3),• dla pokryć kwarcowych i marszalitowych – fluorokrzemian sodu (Na2SiF6),• dla pokryć talkowych – boraks, nadmanganian potasu (KMnO4).

Ilość aktywizatorów dodawanych do pokryć jest niewielka i wprowadza się je w granicach od 0,1 do 0,2% w stosunku do masy materiału ognioodpor nego.

Praktyczne przykłady wykonywanie odlewów z miedzi i jej stopów w formach metalowych (kokilach) – na podstawie syntezy literatury

Jak wspomniano wcześniej, opracowane pokrycia będą zastosowane do pokrywania kokil żeliwnych służących do wykonywania odlewów z miedzi technicznie czystej (około 99% Cu). Te odlewy będą natomiast stanowiły kokile służące do wykonywania kolejnych odlewów z miedzi, które będą anodami do elektrolitycznego wytwarzania miedzi.

Z. Stefański, A. Pytel

138 |

Miedź i jej stopy mają bardzo powszechne zastosowanie głównie w elektrotechnice, jako przewody do przesyłu prądu elektrycznego, w budowie maszyn, szczególnie dla urządzeń dobrze odprowadzających ciepło przez przewodzenie, w chemii, w komunikacji itp. Jednym z podstawowych zanieczyszczeń w odlewnictwie miedzi jest tlen, który wpływa na różne właściwości, a szczególnie na przewodnictwo elektryczne. Odlewy z miedzi technicznie czystej są wykonywane bardzo rzadko, powodem tego są niezbyt dobre właściwości odlewnicze miedzi. Chodzi tutaj o dość wysoką temperaturę odlewania, brak zakresu temperatury krystalizacji, duży skurcz, lepkość, napięcie powierzchniowe oraz związaną z nim zwilżalność. Ponadto kolejne niedogodności to skłonność do absorpcji gazów, a także do porowatości gazowej w odlewach. Z tego powodu z miedzi wykonywane są głównie odlewy o prostych kształtach i o znacznej grubości. Odlewy z technicznie czystej miedzi są wykonywane rzadko, a w kokilach jeszcze rzadziej, dlatego oferta dotycząca stosowanych pokryć na kokile do wykonywania odlewów z miedzi jest niezwykle uboga. Poniżej przedstawiono przykłady literaturowe wykonywania odlewów za stopów miedzi.

W pierwszym z przykładów opisano wykonywanie odlewów z brązu chromowego w kokilach żeliwnych. Temperatura zalewania brązu chromowego w zależności od grubości wykonywanych odlewów wynosiła 1250–1350°C. Zastosowano termoizolacyjne pokrycie roboczych części kokili składające się z 4% grafitu i 96% maszynowego oleju. Przy długotrwałym przetrzymywaniu ciekłego metalu pod topnikiem w otwartym piecu stosowano dodatek 0,02% B, wprowadzany w odstępach 25–30 minut po wprowadzeniu chromu [26].

W następnej pracy [27] przedstawiono informacje o zastosowaniu pokryć na kokile przy odlewaniu grawitacyjnym, z wyszczególnieniem zalet stosowanych pokryć. Autor podzielił pokrycia kokilowe na trzy grupy: izolacyjne, drugie to aktywne o odpowiednio dobranym przewodnictwie cieplnym oraz trzecie – smarujące. Opisane zostały również kryteria wpływające na wybór pokrycia kokili, a także sposób przygotowania pokrycia na kokile oraz wpływ mieszania (rozcieńczania) w tym procesie. Krótko zaprezentowane zostały początki produkcji pokryć na kokile w Japonii i Europie. Podsumowanie artykułu stanowi lista zalet pokryć na kokile o dużej trwałości i ich charakterystyka oraz takie elementy technologii, jak: parametry nakładania, czas pracy, rodzaje odlewanych odlewów.

W kolejnym artykule omówiono zagadnienie odlewania kokilowego armatury mosiężnej w aspekcie powstawania wad typu: jamy skurczowe, pęknięcia. Podkreślono, że istnieją pewne trudności z doborem odpowiednich pokryć. Grafit dobrze spełnia funkcję pokrycia, ale jest kosztowny w stosowaniu i stanowi zagrożenie dla pracowników ze względu na pył i konieczność częstego nakładania na kokilę po jej oczyszczeniu. Opracowano więc pokrycia bazujące na nanotechnologii, co pozwoliło na ograniczenie występowania braków i zwiększenie trwałości kokil, w artykule opisano zastosowanie tych pokryć, przedstawiono zasadę ich działania. Nanopokrycia do ochrony kokil opracowała firma ITN Nanovation AG Saarbruecken. Pokrycia noszą nazwę: Nanocomp, Metalcast. Pokrycia te składają się z bardzo twardych mikrokryształów ceramicznych: Al2O3, Al2TO5 lub włókien szklanych, w formie zawiesiny włókien szklanych. Dobrą izolację cieplną można uzyskać stosując porowaty krzemian w postaci włókien. Krótko omówiono zastosowanie tych pokryć. Przewiduje się dalszy rozwój i zastosowanie nanotechnologii w zakresie pokryć [28].

Należy stwierdzić, że w materiałach literaturze fachowej znajduje się bardzo dużo opisów wykonywania odlewów kokilowych oraz rodzaje stosowanych pokryć dla odlewów wykonywanych z różnego rodzaju stopów, jednakże nie napotkano na przykłady wykonywania tą metodą odlewów z miedzi technicznie czystej.

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 139

Opracowanie technologicznej próby testowej badania pokryć dla kokil – przeprowadzenie prób

Zbadanie niektórych podstawowych czynników fizykochemicznych i zjawisk zachodzących na granicy faz w układzie technologicznym ciekły metal – pokrycie formy odlewniczej – materiał formy ma na celu uzyskanie odlewów o odpowiedniej jakości oraz poprawę trwałości formy metalowej. Zbadanie tych czynników oprócz wyjaśnienia pewnych naukowych aspektów będzie miało znaczenie praktyczne, pozwoli na wytypowanie oraz opracowanie pokryć optymalnych dla analizowanego i badanego układu technologicznego oraz na dobór prawidłowej technologii stosowania tych pokryć.

W ramach planowanych prac, w pierwszej kolejności niezbędnym było opracowanie odlewniczej technologicznej próby testowej, umożliwiającej badania pokryć na kokile. Pokrycia te zostały wytypowane, a także wstępnie sprawdzone praktycznie, z zastosowaniem „technologicznej próby testowej”. Najkorzystniejsze z nich zostały zakwalifikowane do dalszych badań laboratoryjnych.

Zrealizowano następujący zakres prac:• zorganizowano stanowisko do badań technologicznych pokryć na formy metalowe,• opracowano konstrukcję modelowego odlewu kokilowego oraz kokilę do badania

jakości pokryć,• wykonano kokilę, z zastosowaniem której wykonywano odlewy oraz badano

pokrycia,• wytypowano optymalne pokrycia do dalszych badań ich jakości.

Na rysunkach 2 i 3 pokazano opracowaną i wykonaną kokilę, z zastosowaniem której przeprowadzono modelowe badania pokryć według opracowanej „technologicznej próby testowej”.

Rys.2.Kokiladoprzeprowadzaniabadańpokryćochronnych

Z. Stefański, A. Pytel

140 |

Rys.3.Kokiladowykonywaniaodlewówtestowychidoprzeprowadzaniabadańpokryćochronnych–pokazanykształtodlewu

Zaplanowano i wykonano badania pokryć wytypowanych spośród analizowanych. Badano następujące parametry technologiczne:

• jakość powierzchni odlewów (ocena wizualna),• izolacyjność pokryć w wyniku badania szybkości stygnięcia odlewu oraz szybkości

nagrzewania kokili. W czasie badań rejestrowano krzywe stygnięcia odlewów oraz krzywe nagrzewania kokili. Kokila została odpowiednio przygotowana, założono w niej termopary w 5 punktach pomiarowych, to jest w odlewie, a także w kokili.

Do badań wytypowano cztery rodzaje pokryć, poniżej przedstawiono ich charakterystykę.

• Pokrycie wodne nr 1 – ADVANZ A60 stosowane do wykonywania odlewów kokilowych, firmy Metimpex sp. z o.o. Pokrycie jest kombinacją wysokojakościowego grafitu naturalnego ze środkami wiążącymi. Pokrycie pokrywa kokile dobrze przywierającą i smarującą warstwą odporną na wysokie temperatury, pokrycie nanosi się na kokile poprzez zanurzanie lub za pomocą pistoletu.

• Pokrycie wodne nr 2 – Argentol 824 stosowane do odlewów kokilowych, firmy Hüttenes-Albertus Polska sp. z o.o. Pokrycie grafitowe stosowane do wykonywania odlewów ze stopów miedzi.

• Pokrycie wodne nr 3 – Bone ASH 325 mesh, stosowane do wykonywania odlewów kokilowych ze stopów miedzi firmy Hendri-Gras Chemicals B.V. Zawartość P2O5 – 42,8%, CaO – 51,2%, woda 0,7%.

• Pokrycie wodne nr 4 – kokilokryt Pw, przeznaczony jest do zabezpieczenia kokil przed nadmiernym zużyciem spowodowanym nagłym uderzeniem cieplnym metalu. Gęstość pokrycia w 20°C – 1,8–2,05 g/cm3, zawartość węglanów po wysuszeniu max. 3%, odsiew na 0,63 mm – max. 0,2%, odsiew na 0,16 mm – max. 1%, trwałość zawiesiny po 6 h – min. 0,88.

Warunki przeprowadzenia badania pokryć:• temperatura ciekłego metalu przed zalaniem kokili – 1180–1200°C,• temperatura kokili przed zalaniem odlewu testowego – 320–350°C,• grubość pokrycia naniesionego na kokilę – 40–50 µm,• masa wykonywanego odlewu wraz z układem wlewowym – 2,9 kg.

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 141

Rys.4.Przygotowaniekokilidopróbwykonywaniaodlewówtestowych,sprawdzanietemperaturykokili

Rys.5.Kokilapozalaniuciekłymmetalem

Na rysunkach 4–6 pokazano niektóre etapy badań przeprowadzonych na stanowisku testowym, natomiast na rysunku 7 zobrazowano sposób rejestracji zmian temperatury w kokili i w odlewie, po zalaniu kokili ciekłym metalem, a na rysunku 8 – odlew po wybiciu z kokili.

Z. Stefański, A. Pytel

142 |

Rys.6.Kokilapozalaniumetalemwczasierejestracjitemperaturykokiliiodlewu

Rys.7.Zestawpomiarowydorejestracjitemperaturystygnięciaodlewówinagrzewaniakokil

Rys.8.Kokilapoostygnięciuiwybiciuodlewutestowego

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 143

Rys.9.Wykresyzmiantemperaturywróżnychpunktachkokiliorazodlewu,rejestrowanepodczaspróbytestowej–pokrycienr1

15

Po naniesieniu pokrycia na powierzchnię nagrzanej do odpowiedniej temperatury kokili,zalewano kokilę metalem o odpowiedniej temperaturze. W kokili zainstalowano wcześniej termopary w odpowiednich miejscach wnęki odtwarzającej kształt odlewu i kokili, za ich pośrednictwem rejestrowano przebieg zmian temperatur podczas próby testowej. Na rysunkach 9-11 w postaci wykresów pokazano wyniki badań przebiegu zmian temperatur dla poszczególnych pokryć naniesionych na kokilę.

Oprócz badania przebiegu zmian temperatur analizowano jakość powierzchni otrzymanych odlewów w wyniku zastosowania odpowiednich pokryć, a także trwałość naniesionego pokrycia na powierzchni kokili w zależności od ilości zalań kokili. W wyniku przeprowadzonych prób oraz otrzymanych wyników badań należy stwierdzić że jakość badanych trzech pokryć była porównywalna, nieco lepsze wyniki uzyskano dla pokryć nr 1 i 3.

Rys. 9. Wykresy zmian temperatury w różnych punktach kokili oraz odlewu, rejestrowane podczas próby testowej, badane pokrycie nr 1.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Czas[sek]

Tem

pera

tura

[oC

]

wartosc1wartosc2wartosc3wartosc4wartosc5

Rys. 10. Wykresy zmian temperatury w różnych punktach kokili oraz odlewu, rejestrowane podczas próby testowej, badane pokrycie nr 2.

Tem

pera

tura

,°C

Czas, s

Rys.10.Wykresyzmiantemperaturywróżnychpunktachkokiliorazodlewu,rejestrowanepodczaspróbytestowej–pokrycienr2

16

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Czas[sek]

Tem

pera

tura

[oC

]

wartosc1wartosc2wartosc3wartosc4wartosc5

Rys. 11. Wykresy zmian temperatury w różnych punktach kokili oraz odlewu, rejestrowane podczas próby testowej, badane pokrycie nr 3.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Czas[sek]

Tem

pera

tura

[oC

]

wartosc1wartosc2wartosc3wartosc4wartosc5

Literatura.1. Lewandowski J. L: Masy formierskie i rdzeniowe. Wydawnictwo Naukowe PWN 1991.2. Janicki E., Sakwa W.: Materiały formierskie właściwości i zastosowanie. Wydawnictwa

Naukowo-Techniczne Warszawa, 1965 r.

Tem

pera

tura

,°C

Czas, s

Po naniesieniu pokrycia na powierzchnię nagrzanej do wymaganej temperatury kokili, zalewano ją metalem o odpowiedniej temperaturze. W kokili zainstalowano wcześniej termoelementy w odpowiednich miejscach wnęki odtwarzającej kształt odlewu i kokili – za ich pośrednictwem rejestrowano przebieg zmian temperatury podczas próby testowej. Na rysunkach 9–11 pokazano w postaci wykresów wyniki badań przebiegu zmian temperatury dla poszczególnych wymienionych trzech pierwszych pokryć. Z badania pokrycia nr 4 po pierwszych próbach zrezygnowano.

Oprócz badania przebiegu zmian temperatury analizowano jakość powierzchni otrzymanych odlewów w wyniku zastosowania odpowiednich pokryć, a także trwałość naniesionego pokrycia na powierzchni kokili w zależności od ilości zalań kokili. W wyniku przeprowadzonych prób oraz otrzymanych wyników badań należy stwierdzić, że jakość badanych trzech pokryć była porównywalna, nieco lepsze wyniki uzyskano dla pokryć nr 1 i 3.

Z. Stefański, A. Pytel

144 |

Rys.11.Wykresyzmiantemperaturywróżnychpunktachkokiliorazodlewu,rejestrowanepodczaspróbytestowej–pokrycienr3

16

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Czas[sek]

Tem

pera

tura

[oC

]

wartosc1wartosc2wartosc3wartosc4wartosc5

Rys. 11. Wykresy zmian temperatury w różnych punktach kokili oraz odlewu, rejestrowane podczas próby testowej, badane pokrycie nr 3.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Czas[sek]

Tem

pera

tura

[oC

]

wartosc1wartosc2wartosc3wartosc4wartosc5

Literatura.1. Lewandowski J. L: Masy formierskie i rdzeniowe. Wydawnictwo Naukowe PWN 1991.2. Janicki E., Sakwa W.: Materiały formierskie właściwości i zastosowanie. Wydawnictwa

Naukowo-Techniczne Warszawa, 1965 r.

Tem

pera

tura

,°C

Czas, s

Podsumowanie i wnioski

• W ramach zrealizowanych prac dotyczących pokryć ochronnych przeprowadzono analizę zagadnień związanych z teorią i praktyką ich stosowania dla różnych technologii. Przedstawiono wyniki prac dotyczących doboru optymalnych pokryć do wykonywania odlewów z miedzi, metodą odlewania kokilowego.

• W celu przeprowadzenia badań opracowano konstrukcję i wykonano kokilę przeznaczoną do badania pokryć podczas wykonywania odlewów testowych.

• Opracowano metodę oraz warunki badania pokryć na kokile, a następnie wykonano badania wytypowanych czterech pokryć.

• W wyniku przeprowadzonych prób wykonywania odlewów testowych z zastosowanymi pokryciami, spośród czterech badanych wybrano trzy, to jest: ADVANZ A60, Argentol 824 oraz Bone ASH 325, gdyż otrzymano odlewy o dobrej jakości powierzchni.

• Na podstawie otrzymanych wyników badań przebiegu zmian temperatury w kokili i odlewie w czasie zalewania i stygnięcia stwierdzono, że jakość badanych trzech wymienionych pokryć była porównywalna, nieco lepsze wyniki uzyskano dla pokryć nr 1 i 3.

• O ostatecznym doborze pokrycia powinny zadecydować wyniki badań w warunkach przemysłowych.

Literatura

[1] Lewandowski J. L: Masy formierskie i rdzeniowe, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1991[2] Janicki E., Sakwa W.: Materiały formierskie, właściwości i zastosowanie, Wydawnictwa Naukowo-

Techniczne Warszawa, 1965 [3] Sakwa W., Wachelko T.: Teoria i praktyka technologii materiałów formierskich, Wydawnictwo „Śląsk”,

1970[4] Holinek R. i in.: Slevarenstvi, 1970, nr 8, pp. 320–323[5] Bome A.J.: British Foundryman, 1980, nr 4, pp. 92–102[6] Davydov N.I. i in.: Litejnoje Proizvodstvo, 1985, nr 5, pp. 13–14[7] Lewandowski J. L: Przygotowanie form odlewniczych, Masy formierskie i rdzeniowe, Skrypt uczelniany

AGH, Kraków, 1983[8] Kolorz A.: Giesserei, 1985, nr 19, s. 559[9] Sakwa W.: Żeliwo, Katowice, Śląsk, 1974

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania ...

| 145

[10] Bryant MD., Moor A.: British Foundryman, 1974, nr 6, pp. 215–229[11] Knight DF.: Foundry Trade Journal, 1971, nr 2890, p. 561[12] Richards P.J.: British Foundryman, 1982, nr 11, p. 213[13] Butlion IJ., Warwick M.E.: Foundry Trade Journal, 1982, nr 3231, p. 166[14] Berg P.P.: Formovocnyje materialy. Moskva, Masgiz, 1963[15] Zakrzewski J.: Dobór pokryć ochronnych na kokile, Kraków, STOP – ZPWO- I.O. 1971, s. 27[16] Patent rosyjski 1235611[17] Patent rosyjski 1274841[18] Gubin S.S., Kleščenok G.I.: Litiejnoje Proizvodstvo, 1987, nr 6, pp. 27–28[19] Sakwa W., Marcinkowski J.: 39. Międzynarodowy Kongres Odlewnictwa. Filadelfia 1972, ref. 5.[20] Csontor J., Kovacs Z.: Giesserei, 1974, nr 9, pp. 198–201[21] Petzold A.: Werkstoffe und Korrosion, 1958, T. 9, nr 12, pp. 761–765[22] Górny Z., Lech Z.: Odlewanie kokilowe stopów metali nieżelaznych. Wydawnictwa Naukowo-

Techniczne, 1975, s. 240–246[23] Górny Z., Chabowski W., i in.: Odlewanie kokilowe stopów żelaza, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne

1972, s. 224–236[24] Müller J.: Giessereitechnik, 1963, T. 11, nr 11, pp. 340–342[25] Dubin N.P. i in.: Kokilnoje litie. Spravocnoe posoble, Moskwa 1967, Izd. Masinostroienie[26] Miroshnikov A.A.: Produkcja odlewów z brązów chromowych metodą odlewania kokilowego, Processy

lit’ja, 2008, nr 4, s. 77–80[27] Kendrick R., Hops W., Kubów R.: Rozwój technologii pokrywania kokil, Przegląd Odlewnictwa 2008,

T. 58, nr 12, s. 638–640[28] Meyer F., Bauch H., Mueller V.: Zastosowanie nanotechnologii w odlewnictwie kokilowym metali

nieżelaznych, Giesserei, 2007, Jg.94, nr 8, pp. 54–57

Indeks autorów

Indeks autorów

| 149

Strona

Balcer Elżbieta 17Gawryś Piotr 109Grochal Tadeusz 43, 98, 121Jaśkowiec Krzysztof 43, 75, 98, 121Kranc Marek 75Król Krystian 109Kryczek Agnieszka 17Krzemiński Łukasz 109Kuder Mieczysław 54, 66Pirowski Zenon 75Pysz Stanisław 43, 121Pytel Andrzej 5, 32, 43, 66, 98, 121, 128Sobczak Jerzy J. 17Stefański Zbigniew 128Turzyński Józef 5Żuczek Robert 43, 121

| 151

Spis treści

Wstęp .................................................................................................................................. 3

Przedstawienie ogólnych założeń projektuAndrzej Pytel, Józef Turzyński (Instytut Odlewnictwa) ................................................................ 5

Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie – stan aktualnyJerzy J. Sobczak, Elżbieta Balcer, Agnieszka Kryczek (Instytut Odlewnictwa) ............................ 17

Żeliwo z grafitem wermikularnym – materiał konstrukcyjny na elementy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnegoAndrzej Pytel (Instytut Odlewnictwa) ...................................................................................... 32

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w zmiennym polu temperaturyStanisław Pysz, Andrzej Pytel, Robert Żuczek, Tadeusz Grochal, Krzysztof Jaśkowiec(Instytut Odlewnictwa) .......................................................................................................... 43

Nowoczesna aparatura badawcza stosowana w technologii wytopów żeliwa odpornego na zmęczenia cieplneMieczysław Kuder (Instytut Odlewnictwa) ............................................................................... 54

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa z grafitem wermikularnym w oparciu o pomiar tlenu aktywnego i wybrane parametry krzywej krystalizacji i stygnięciaMieczysław Kuder, Andrzej Pytel (Instytut Odlewnictwa) .......................................................... 66

Stopy odlewnicze pracujące w trudnych warunkach zużycia termicznegoZenon Pirowski, Marek Kranc, Krzysztof Jaśkowiec (Instytut Odlewnictwa) ............................... 75

Urządzenie do badania zmęczenia cieplnego tworzyw metalowychTadeusz Grochal, Krzysztof Jaśkowiec, Andrzej Pytel (Instytut Odlewnictwa) ............................. 98

System do badania zmęczenia cieplnego stopów odlewniczych na bazie żelaza z węglemKrystian Król, Łukasz Krzemiński, Piotr Gawryś (Instytut Tele- i Radiotechniczny) .................... 109

Komputerowa symulacja naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperaturyStanisław Pysz, Andrzej Pytel, Robert Żuczek, Tadeusz Grochal, Krzysztof Jaśkowiec (Instytut Odlewnictwa) ........................................................................................................ 121

Pokrycia na formy i rdzenie – analiza obecnie stosowanych pokryć, badanie i ich wytypowanie do zastosowania w kokilach żeliwnych do odlewania stopów miedziZbigniew Stefański, Andrzej Pytel (Instytut Odlewnictwa) ....................................................... 128

Indeks autorów .............................................................................................................. 147

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego

Egzemplarz bezpłatny

www.iod.krakow.pl Instytut Odlewnictwa

Foundry Research Institute

Inst

ytu

t O

dle

wn

ictw

aF

ou

nd

ry R

ese

arc

h I

nsti

tute

Now

ocz

esn

e t

worz

yw

a o

dporn

e n

a z

męcz

enie

cie

pln

e

Nowoczesne tworzywa odporne na zmęczenie cieplne

Część I. Zagadnienia ogólne

ISBN 978-83-88770-81-4