STRUKTURA WARSTWY PRZYŚCIENNEJ

Transkrypt

1 Solidification o f Metais and Alloys Krzepnięcie Metali i Stopów PL ISSN STRUKTURA WARSTWY PRZYŚCIENNEJ ŻELIW A SZAREGO W KANAŁACH UKŁADU WLEWOWEGO FORM PIASKOWYCH BOGUSŁAW BOROWIECKI Uniwersytet Szczeciński, Szczecin Podczas wypełniania form piaskowych żeliwem szarym w kanałach układu wlewowego powstaje warstwa przyścienna, która oddziałuje na współczynnik sprawności przepływu. Przeprowadzono badania i ustalono, że struktura warstwy przyściennej zależy od jej grubości, składu chemicznego stopu, temperatury i właściwości termofizycznych materiału formy. Wprowadzenie Proces wypełniania form piaskowych żeliwem szarym jest związany z powstaniem w kanałach układu wlewowego warstwy przyściennej metalu, która wpływa na wartość współczynnika sprawności przepływu. Współczynnik sprawności przepływu zależy od grubości tej warstwy [1]. Badania struktury warstwy przyściennej podjęto w celu wyjaśnienia mechanizmu jej narastania. Na granicy metal-forma powstają struktury szczególne, niekiedy złożone i trudne do wyjaśnienia, których grubość wynosi od kilku dziesiętnych do kilku milimetrów [6]. Właściwości materiału formy, zjawiska dyfuzji, procesy cieplno-chemiczne, w wyniku których powstają gazy i inne związki chemiczne odgrywają istotną rolę w strefie warstwy przyściennej [2,3]. Prawidłowości zmiennej kontaktowej wymiany ciepła są praktycznie niezbędne. Zadanie określenia reguł takiej wymiany ciepła staje się coraz bardziej aktualne w związku z koniecznością dokładnego badania procesów kinetycznych powstawania i powiększania się kryształów w warstwie przyściennej i dyfuzyjnego współdziałania materiału formy i strugi metalu [4].

2 70 B. Borowiecki W wyniku wysokotemperaturowego chemicznego oddziaływania środowiska gazowego z metalem powstają tlenki i związki niemetaliczne, które formują się w postaci błonek lub oddzielnych wtrąceń. W strefie zetknięcia się strugi metalu z fonną tworz'l się dynamiczne, cieplne i dyfuzyjne warstewki.. Wyznaczone eksperymentalnie warto ści współczynnika konwekcyjnej wyq1iany ciepła między strugą metalu i zakrzepłą warstw<! przyścienną są znacznie ni ższe od teoretycznych [4]. Warstwa przyścienna zmienia swoje parametry termofizyczne w miarę nagrzewania się. Współczynnik przewodzenia ciepła wtrąceń niemetalicznych i gazowych osiąga wartości od 2 do 3 rzędów wielkości mniejsze niż ten współczynnik wyznaczony dla ciekłego metalu [4]. W miarę zwiększania się szybkości stygnięcia i stopnia przechłodzenia zmienia się również mikrostruktura komórek eutektycznych. Zwiększasie ich skłonność do powstawania komórek o budowie promienisto-kulistej (gniazdowej, rozet.kowej). Wydzielenia gratilu rozdrabniają się i rozgałęziają [5,8]. W przypadku przechłodzenia poniżej temperatur równowagowych krzepnięcia może krzepnąć eutektyka cementowa lub grafitowa, zależnie od zdolności żeliwa do zarodkowania gratitu. W dużej szybkości stygnięcia łatwiej od zarodków grafitu tworzą się aktywne zarodki cementytu. Rozwój zarodków cementytu jest również bardziej uprzywilejowany w warunkach znacznego przechłodzenia, towarzyszących zwykle szybkiemu stygnięciu, w związku z obniżaniem się wówczas szybkości dyfuzji atomów węgla, odgrywaj(jccj istotną rolę przy wzroście cząstek grafitu. Badania własne Żeliwo do badań wytapiano w żeliwiaku o średnicy 700 mm. Jego skład chemicwy przedstawiono w tabeli l. Wstępne parametry ciekłego żeliwa szarego pobieranego z rynny spustowej oznaczano za pomocą CRYST ALDIGRAFU. Pomiaru temperatur żeliwa przy zalewaniu fonn doświadczalnych dokonywano za pomocą pirometru optycznego. Tabela l Skład chemiczny, % s c T z "z szare c S i M n p K s s Żeliwo l 3,49 2,15 0,68 0,42 0,106 1, ,28 1,78 0,81 0,26 0,086 0, ,16 1,83 0,79 0,23 0,091 0, ,07 1,65 0,58 0,24 0,089 0,

3 Struktura warstwy przyściennej żeliwa Formy z eksperymentalnym układem wlewowym _ wykonywano z mas formierskich o składzie: 93 czę ś ci wagowe piasku kwarcowego, 7 czę ś ci wagowych bentonitu oraz 5% wody. Właściwości technologiczne mas formierskich osiągały wartości : -przepuszczalność m 2 /Pa S, - wytrzymałość na ściskanie w stanie wilgotnym R = 0,079-0,082 MPa, - wilgotność 4,8-5,5 %. W s półczynnik akumulacji ciepła materiału formy wyznaczony metodą wylewania [5] 1/2 b 2 = 1,667-1,814 W s /Pa s. Eksperymentalny układ wlewowy składał się: ze zbiornika wlewowego w kształcie walca o średnicy 100 mm i wysokości 150 mm, wlewu głównego w kształcie stożka ściętego długości 250 mm (średnica wypływu wynosiła 25 mm, średnicę mniejszą wyznaczono z równania ciągłości strugi) oraz belki rozprowadzającej i wlewu doprowadzającego o przekroju poprzecznym w kształcie trapezu. Wyniki badań Do badań metalograficznych wybrano cztery próbki z warstw przyściennych metalu z układów wlewowych, przez które przepływało żeliwo szare o różnym składzie chemicznym. Czas zalewania był różny i wynosił odpowiednio 10 s, 25 s i 45 s. Temperatura zalewania dla trzech prób była jednakowa i wynosiła 1570 K. Dwie próby zalano z jednej kadzi. W warstwie przyściennej od strony materiału formy występuje cienka warstewka zabielona o grubości około 0,4 mm, w której widoczny jest steadyt, większa koncentracja perlitu, wtrącenia niemetaliczne i inne związki chemiczne trudne do określenia. W warstwie podpowierzchniowej na tle osnowy perlityczno-ferrytycznej są widoczne wydzielenia gratitu typu rozetkowego, eutektyka fosforowa i siarczki. Rdzeń wlewu doprowadzającego miał s trukturę perlityczno-ferrytyczną z grafitem płytkowym i eutektyką fosforową. Pojawienie się ferrytu jest skutkiem niejednorodnego rozłożenia składników stopotwórczych w warunkach krzepnięcia nierównoważnego (rys. l). Próbka nr 2 pochodzi z układu wlewowego, wykonanego w wilgotnej formie piaskowej, przez który przepływało żeliwo szare przez 25 s. Pozo s tała po opróżnieniu kanału warstewka przyścienna metalu krzepła na wolnym powietrzu. Grubo ść tej warstwy wyno s iła średnio około 0,9 mm. Strukturę tej warstwy przedstawiono na rysunku 2. Przedstawione na rysunku 2 struktury charakteryzują s ię obecnością cementytu z wydzieleniami grafitu. Widoczne są drobne wydzielenia perlitu oraz wtrącenia niemetaliczne, siarczki manganowo-żelazowe przy zwiększonej koncentracji perlitu. Gdy zacodkuje najpierw eutektyka grafitowa, a następnie cementytowa otrzymuje s ię s trukturę połowiczną. Butektyka cementytowa przybiera charaktery styczną dla ledeburytu budowę ciągłej fazy węglikowej z wtrąceniami cementytu o różnym stopniu dyspersji, bądź budowę płytkową złożoną z płatków lub płytek cementytu [7].

4 72 B. Borowiecki a) b) d) Rys. l. Struktura warstwy przyściennej żeliwa szarego z wlewu doprowadzającego, krzepnąceg o razem z odlewem, próbka nr l (trawiona nitalem): a - warstwa powierzchniowa; pow. loox, b - cienka warstewka powierzchniowa zabielona o grubości około 0,4 mm; pow. 500x, c- warstwa powierzchniowa z eutektyką fosforową; pow. 500x, d- warstwa na głębokości około 2 mm pod powierzchni ą

5 a) b) c) i:1 ;:: i:"l J "<:s ' ;:s ;:s. N. Rys. 2. Struktura warstwy przy ście nnej żeliwa z wlewu główneg o: a - próbka nr 2; pow. l OOx, b- warstwa przy śc i e nn a od strony formy; pow. 500 x, c - warstwa przy ście nn a od strony strugi metalu; pow. 500x -.l VJ

6 --1.f>. a' '... b) c) O::l o ;j C) Rys. 3. Struktura warstwy przy śc i e nnej w zbiorniku wlewowym: a - próbka nr 3; pow. l OOx, b - warstwa przy ś cienn a od strony formy; pow. SOOx; c - warstwa prz yśc i e nn a od strony k ą pi e li me talowej ; pow. SOOx

7 Struktura warstwy przyściennej że liwa Próbka nr 3 została wycięta ze skorupy z akrzepłej w zbiorniku wlewowym, przez który prz e pływało żeliwo szare w c iągu 45 sekund. Ma ona s trukturę typową dla żeliwa białego. Występuje tu perlit i ledeburyt przemieniony. Miejscami widoczne są kierunkowe struktury dendrytyczne. Znajduje tu potwierdzenie teza o decyduj ącej roli składników strukturalnych żeliwa. Przy dużej szybko śc i s tyg nięcia łatwiej od zarodków grafitu tworzą s ię aktywne zarodki cementytu. W warunkach duż ego przechłodzenia powstaje eutektyka płytkowa. Fazą wiodącą przy krystalizacji eutektyki węglikowej jest zwykle cementyt, na którym krystalizuje austenit [7, 8]. Wnioski Badania struktur warstwy przysctennej żeliwa szarego, pows tającyc h w kanałach wlewowego wilgotnych form piaskowych, pozwolił y wyjaśnić przyczyny spadku w funkcji czasu zalewania. układu wartości współczynnika s prawno śc i Zmniej szenie s ię współczynnika sprawno śc i przepł yw u żeliwa w formach wilgotnych wynika ze wzrostu g rubo śc i warstwy przyścienn ej metalu, która ma s trukturę cementytową lub l ede burycz ną. Temperatura topnienia cementytu jest znacznie wyższa ( 1870 K) od temperatury panującej w kanaje i dlatego w miarę wydłużania czasu zalewania g rub ość warstwy zabielonej wzrasta [7]. Zjawisko powyższe dotyczy żeliwa szarego o stosunkowo niewysokim stopniu przegrzania. Grubość zakrzepłej warstwy zależy również w znacznym stopniu od składu chemicznego żeliwa. Literatura l. B. BOROWIECKI. M.S. SOIŃS KI: Giesserei- Praxis J. BRASZCZYŃSKI: Teoria procesów odlewniczych. PWN. Warszawa J. GAWROŃS KI : Praca doktorska. Gliwice W.N. KARNOŻICKIJ: Kontaktnyj tiepłoobmi en w processach litija. Naukowa Dumka, Kijew W. LONGA: Krzepn i ęc ie odlewów w Jonnach piaskowych. Śląs k. Katowice S. PARENT-SIMONIN I IN.: Fonderie C. PODRZUCKI, C. KALA TA: Metalurgia i odlewnictwo że liwa. Śląsk, Katowice K. SĘKOWSKI, J. PIASKOWSKI, Z. WOJTOWICZ: Atlas struktur znonnalizowanych stopów odlewniczych. WNT. Warszawa P. SKOCOVSKY, J. SIMAN: Struktuma analyza latin. Wyd. Techn. Ekon., Lit., Bratislava 1989.

8 76 B. Borowiecki Summary THE STRUCTURE OF THE BOUNDARY LA YER OF GREY CAST IRON IN THE RUNNING CHANNELS OF SAND MOULDS During the fiłling of sand moulds by grey cast iron a boundary layer of metal is being formed of the running channels, which influence the flow efficiency ratio. Investigations have been carried out and it has been found that the structure of boundary layer depends on its thickness, the cheroical composition of the alloy, the temperatu re of fillin g and thermophysical properties of the mo u l d materiał.