PROCES EROZJI FORM PIASKOWYCH ZE SPOIWEM-SZKŁEM WODNYM

Transkrypt

1 2/1 Archives of Foundry, Year 23, Volume 3, 1 Archiwum Odlewnictwa, Rok 23, Rocznik 3, Nr 1 PAN Katowice PL ISSN PROCES EROZJI FORM PIASKOWYCH ZE SPOIWEM-SZKŁEM WODNYM J. MOCEK 1 Katedra Technologii Form Odlewniczych, Wydziału Odlewnictwa AGH w Krakowie ul. Reymonta 23, 3-59 Kraków STRESZCZENIE Praca niniejsza zawiera jakościową ocenę odporności erozyjnej form piaskowych ze spoiwem szkła wodnego. Badania tej właściwości prowadzono w zależności od zmieniających się wybranych czynników technologicznych tj. temperatury zalewania i kąta padania strumienia metalu na powierzchnię wnęki formy. Odporność erozyjną powiązano z kinetyką nagrzewania się formy i wytrzymałością na rozciąganie masy formierskiej w podwyższonych temperaturach. Key words: sand mold, erosion 1. WPROWADZENIE Masy na szkle wodnym mają szerokie zastosowanie ze względów ekonomicznych i ekologicznych [1]. Służą przede wszystkim do wykonywania form jak i rdzeni dla średnich i dużych odlewów staliwnych i żeliwnych. Mała podatność form stanowi zaletę przy wykonywaniu odlewów dużych i mało skomplikowanych. Wykonywanie form wymaga jednak od personelu zwiększonej czujności nadzoru technicznego i wysokiej dyscypliny technologicznej. Proces wiązania mas implikuje szereg różnych czynników wpływających na wykonanie dobrej masy i dobrej formy, tak ze strony piasku jak i lepiszcza. Na zaprojektowanym przez autora stanowisku badawczym[2] przeprowadzono badania wpływu wybranych czynników technologicznych na stopień erozji elementów form narażonych na 1 mgr inż., jmocek@galaxy.uci.agh.edu.pl

2 24 działanie strumienia ciekłego metalu. Przeprowadzone i opisane badania wskazują mechanizmy niszczenia elementów form w zależności od wybranych czynników technologicznych tj: kąta padania strumienia ciekłego metalu na ściankę wnęki formy w powiązaniu z kinetyką nagrzewania się formy i wytrzymałością masy w podwyższonych temperaturach. temperatury zalewania związanej z rodzajem ciekłego stopu ( żeliwo, stop cynku). Zjawisko erozji w formach piaskowych wiązanych szkłem wodnym ma często większe rozmiary jak w formach bentonitowych. Nie potwierdza tego zjawiska wytrzymałość mas w temperaturze otoczenia. Celowe więc okazało się ustalenie przyczyn erozji i określenie czynników, które mogą decydować o rozmiarach zdarcia. Podatność erozyjna powoduje łatwość wypłukiwania masy zarówno z układów wlewowych jak i z obszarów wnęki formy (powierzchnia wnęki formy i powierzchnia rdzenia) bezpośrednio przyległych do układów wlewowych. Dlatego te badania mają istotne znaczenie zarówno dla prawidłowego kształtowania technologii, przygotowania masy formierskiej, jak i dla poprawnej konstrukcji układów wlewowych. 2. MATERIAŁY UŻYTE DO BADAŃ Wkładka badawcza i porównawcza oraz forma o założonych parametrach technologicznych do każdego pomiaru była wykonywana oddzielnie. Każda wkładka z poddawanej testowi masy była przygotowywana na 24 godz. wcześniej przed planowanym doświadczeniem. Gęstość pozorna wkładek wynosiła każdorazowo około 1,65 g/cm 3. Badania przeprowadzono na wkładkach z masy na osnowie piasku kwarco wego Szczakowa, o ziarnistości (,2/,32/,16). Jako spoiwa używano szkła wodnego 145 w ilości 3,5%,oraz,4% utwardzacza flodur 5.Formy badawcze zalewano: - żeliwem klasy Zl-2, temperatura zalewania 142 o C, - cynkiem, temperatura zalewania 45 o C. Ciężar odlewu wraz z układem wlewowym wynosił przy każdym doświadczeniu 25 kg zaś energia kinetyczna strumienia ciekłego metalu była ustalona wysokością nadstawki i czaszowego zbiornika wlewowego -59 mm. Czas zalewania form wynosił średnio 32s. 3. BADANIA WŁASNE Stanowisko badawcze i metodyka badań zostały opisane we wcześniejszych publikacjach autora [3, 4]. W pracy przeprowadzono pomiar nagrzewania się przypowierzchniowych warstw masy w obszarach erozyjnego działania strumienia ciekłego metalu. Miało to na celu określenie wpływu kąta padania i temperatury metalu na stopień nagrzewania warstw podlegających zjawisku erozji. Schemat rozmieszczenia termopar (Ni-

3 Temperatura [ o C] 25 Cr Ni-Al) we wkładce badawczej przedstawia rysunek 1. Kinetykę nagrzewania wybranych warstw formy w czasie zalewania (przy kącie padania strumienia metalu 45 o ) pokazuje rysunek 2. Rys. 1. Schemat ułożenia termopar (Ni-Cr Ni-Al) kontrolnych w badanej wkładce Fig. 1. Schematic of thermocouples (Ni-Cr Ni-Al) positioning in testing sample Pod str,5 6 2 Pod str 1,5 5 3 Dół 4 4 Dół Narożnik Czas [s] Rys. 2. Przykładowa kinetyka nagrzewania się badanej wkładki (kąt padania strumienia 45 o ) Fig. 2. An example of insert part heating kinetics (the angle o stream declination 45 o ) W pierwszym etapie badań zrobiono porównanie dla procesu nagrzewania się formy i stopnia erozji form zalewanych żeliwem i cynkiem. W obydwu przypadkach przy zalewaniu żeliwem i cynkiem wystąpiło zdarcie form. Wyniki przedstawiono na rysunkach 3 i 4. W obu przypadkach obserwuje się erozję formy, z tym, że przy zalewaniu żeliwem jest to erozja 5-krotnie większa. Masa formierska wkładki przy zalewaniu żeliwem

4 Temperatura [ o C] Stopień erozji [cm 3 /kg] 26 nagrzewa się podczas wypełniania formy do 9 o C, a przy cynku 1 o C. Penetracja metalu,25,2,186,234 Erozja Erozja i penetracja, żeliwo 2 - cynk,1,5 1,26 2,58 Rys. 3 Stopień erozji przy zalewaniu żeliwem i cynkiem Fig. 3. Erosion ratio value obtained at pouring gray iron and zinc into mould Czas [s] Zeliwo Cynk Rys. 4. Kinetyka nagrzewania wkładki w czasie zalewania żeliwem i cynkiem (temperatura w punkcie uderzenia strugi metalu, 5 mm od powierzchni) Fig. 4. Kinetics of insert heating during pouring gray iron and zinc into mould (temperature measuring point located 5 mm below the mould surface)

5 Temperatura formy pod strugą [ o C] 27 (bez udziału erozji) w obu przypadkach jest bardzo podobna. Zdolności do wnikania tych stopów w pory masy są więc zbliżone do siebie, a mimo to erozja zasadniczo różni się Czas zalewania [s] 9 stopni 6 stopni 45 stopni 3 stopni Rys. 5 Kinetyka nagrzewania się masy przy różnych kątach padania strumienia ciekłego metalu Fig. 5. Kinetics of sand heating obtained for various angels of metal stream declination introduced into mould cavity Rozmiar zjawiska wynika stąd, że przy różnym kącie padania strumienia ciekłego metalu zmienia się kinetyka nagrzewania formy. Badane pola temperatury wykazują, iż wzrost temperatury badanej wkładki uzależniony jest od kąta padania strumienia ciekłego metalu (rysunek 5). Wpływ kąta na erozję wkładek badawczych pokazuje rysunek 6. Szybkość nagrzewania się wkładki badawczej pod strumieniem ciekłego metalu rośnie wraz ze wzrostem składowej normalnej strugi. Maksimum przypada na prostopadłe padanie strumienia. Erozja w tym przypadku nie jest jednak największa, ponieważ w rozkładzie energii strumienia nie występuje w tym przypadku bezpośrednia składowa zrywającej [5, 1]. Zdarcie przy kącie padania strugi 6 o jest największe, potwierdza to teoria Bittera, opisująca zjawisko erozji materiałów przy temperaturze otoczenia. Masa formierska jest intensywnie nagrzewana, zmieniając w tym okresie równocześnie wszystkie właściwości mechaniczne i technologiczne. W zjawisku erozji wiodącą rolę odgrywają siły powodujące odrywanie ziaren z podłoża. Dlatego ważna jest wytrzymałość masy na rozciąganie w funkcji temperatury. Wykonano badania wytrzymałości R m masy ze szkłem wodnym, a jej zmiany w układzie bezwymiarowym przedstawiono na rysunku 7.

6 Objętość erozji [cm 3 /kg] 28,25,2,15 Objętość erozji Erozja i penetracja,1, Kąt padania strugi [ o ] Rys. 6. Wpływ kąta padania strugi na stopień erozji formy Fig. 6. An influence of metal stream declination on erosion ratio of sand mould cavity Minimalna wytrzymałość na zrywanie wynosząca 25% wytrzymałości wyjściowej przypada na temperaturę o C. Dalszy wzrost temperatury do 48-5 o C powoduje wzrost wytrzymałości. W pierwszym okresie zalewania, do momentu, aż powierzchnia masy osiągnie około 45 o C, obserwuje się monotoniczny spadek wytrzymałości R m, co sprzyja wymywaniu masy. Okres ten trwa około sekund. W dalszej fazie procesu masa ze szkłem umacnia się powodując prawdopodobnie zmniejszanie szybkość erozji.

7 29 Rys. 7. Względna wytrzymałość masy na zrywanie w podwyższonych temperaturach Fig. 7. Relative tensile strength of sand in elevated temperature 4. PODSUMOWANIE Wyniki badań przedstawione w pracy w powiązaniu z wynikami wcześniejszych prac z tego zakresu [6,7,8,9] pozwalają wyciągnąć następujące wnioski: o erozja mas formierskich jest procesem złożonym, którego przebieg zależy od wielu czynników o erozja masy postępuje intensywnie wtedy, gdy strumień metalu ukierunkowany jest tak, że występują obie składowe sił naporu (normalna i równoległa) z tym, że siła normalna dominuje nad drugą składową o przy takim ukierunkowaniu strumienia metalu następuje szybkie nagrzewanie powierzchni wnęki formy (co prowadzi do obniżenia R m masy), równocześnie występuje duża siła odrzucająca cząstki masy od powierzchni o duża siła naporu strumienia (występująca przy 6 o ) sprzyja głębszemu wnikaniu metalu pomiędzy ziarna, co dodatkowo ułatwia ich odrywanie od powierzchni powodując powiększenie erozji.

8 3 LITERATURA [1] Zych J., Mocek J.: Zjawisko erozji w formach wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi, Archiwum Odlew., PAN Katowice (22), v. 2, Nr 3, s [2] Mocek J.: Wpływ wybranych czynników technologicznych na erozję form piaskowych zalewanych żeliwem, Archiwum Odlew., PAN Katowice (21), v. 1, Nr 1 (2/2), s [3] Mocek J.: Study of erosion of the sand mould poured with cast iron, DOKSEM 21 v ramci Stredoeuropskeho vzdelavacieho cyklu (CeTra), Sul ov, Słowacja. s [4] Mocek J.: Badanie zjawiska erozji form piaskowych zalewanych żeliwem, Archiwum Odlew., PAN Katowice (22), v. 2, Nr 5, s [5] Drotlew A, Grabiak M.: Procedura opisu zużycia materiałów atakowanych strumieniem ścierniwa pod różnymi kątami, Acta Metall. Slovaca, 8,22, s [6] Januszewicz P, Kalata C, Kobyliński S.: Systematyka wad odlewów żeliwnych, Kraków [7] Baler J, Köppen M.: Podręcznik wad odlewniczych, Wyd. IKO Erblöh, Tłumaczenie na język polski [8] Poyet P, Elsen F, Bollinger E.: Giesserei Weltkongress, Communication, Praha [9] Zapalski J.A, Sajewski P.: Badanie trwałości powierzchni form dla odlewów staliwnych metodą form doświadczalnych J. Szreniawskiego. Przegląd Odl. 2/77. [1] Bitter J.G.A.: A study of erosion phenomena. Wear, 6, 1963, s Praca finansowana przez KBN. Praca nr THE PROCESS OF EROSION OF SAND MOULDS PREPARED WITH WATER GLASS BINDING SUMMARY This work consist of quantitative analysis leading to evaluation of erosional resistance of sand moulds prepared with waterless binding Tests included the various technological factors eg. pouring temperature of metal and angle of molten metal stream declination effecting the erosion of internal mould cavity The mould resistance on corrosion is correlated with heating kinetics of sand und with tensile strength of sand mixture at elevated temperature. Recenzował Prof. Józef Gawroński