Nowoczesne tworzywa odporne na zmęczenie cieplne

Transkrypt

1 Nowoczesne tworzywa odporne na zmęczenie cieplne Część I. Zagadnienia ogólne Instytut Odlewnictwa Foundry Research Institute

2 Nowoczesne tworzywa odporne na zmęczenie cieplne Cz. I. Zagadnienia ogólne Pod redakcją Andrzeja Pytla Instytut Odlewnictwa Kraków 2012

3 Recenzent: prof. dr hab. inż. Edward Guzik Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa Opracowanie redakcyjne: inż. Marta Konieczna, mgr Anna Samek-Bugno Skład komputerowy: lic. Agnieszka Fiutowska Projekt okładki: mgr inż. Jan Witkowski Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Copyright by Instytut Odlewnictwa Kraków 2012 ISBN Wydanie I Wydawca: Instytut Odlewnictwa ul. Zakopiańska Kraków Druk i oprawa: Instytut Odlewnictwa Kraków 2012

4 WSTĘP Prezentowana monografia przedstawia omówienie wyników fragmentu realizowanego projektu współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka 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. 3

5

6 Przedstawienie ogólnych założeń projektu Presentation of the overall objectives of the project Streszczenie Zaprezentowano ogólne założenia projektu realizowanego przez Instytut Odlewnictwa w Krakowie w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, lata Priorytet 1. Badania i rozwój nowoczesnej technologii Działanie 1.3. Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe, którego celem 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. Przedstawiono tematykę i zakres prac badawczych zaplanowanych w projekcie oraz przewidywane efekty z wykorzystania opracowanych technologii w przemyśle odlewniczym, a co za tym idzie w przemyśle metalurgicznym, motoryzacyjnym, szklarskim oraz wielu innych, w których stosowane są odlewy narażone na zmęczenie cieplne. Słowa kluczowe: odlew, stopy żelaza z węglem, zmęczenie cieplne, projekt badawczo-rozwojowy Abstract General assumptions are given for a project implemented by the Foundry Research Institute in Cracow under the Operational Programme Innovative Economy , Priority 1 Research and development of new technologies Measure 1.3. Support for R & D projects benefitting entrepreneurs and implemented by research centres, the aim of which is to develop innovative iron-carbon casting materials of controlled microstructure, modified with alloying elements and characterised by increased operating properties under cyclic temperature changes. The subject matter and scope of research planned in the project are presented, including the anticipated effects of the use of the newly developed technology in the foundry industry, in the steel, automotive and glass industries, and also in numerous other sectors of industry, which use castings exposed to thermal fatigue. Key words: casting, iron-carbon alloys, thermal fatigue, research and development 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. 5

7 A. Pytel, J. Turzyński Badanie fizykochemicznego oddziaływania układu ciekły metal pokrycie forma metalowa celem optymalizacji i doboru materiału formy, pokrycia ochronnoizolacyjnego 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 6

8 Przedstawienie ogólnych założeń projektu 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 Austempered Ductile Iron) 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. 7

9 A. Pytel, J. Turzyński 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. Pęknięcie pojedyncze na wskroś płyty podkokilowej o masie ok. 4 ton do odlewania form anodowych w KGHM (stan po wykonaniu 20 odlewów) 8

10 Przedstawienie ogólnych założeń projektu Rys. 2. Pęknięcia wylewów i siatka pęknięć kadzi o masie 18 ton Rys. 3. Pęknięcie ścianki kadzi o masie 18 ton Rys. 4. Pęknięcia dna na całym obwodzie odlewu staliwnej kadzi metalurgicznej o masie 18 ton Rys. 5. Pęknięcie wlewnicy do odlewania stali o masie ok. 1 tony 9

11 A. Pytel, J. Turzyński Rys. 6. Pęknięcia tulejek o masie ok. 100 g 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. 10

12 Przedstawienie ogólnych założeń projektu 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 m 3 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, 11

13 A. Pytel, J. Turzyński 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 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 12

14 Przedstawienie ogólnych założeń projektu 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 ochronnoizolacyjnego 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 13

15 A. Pytel, J. Turzyński 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 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 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. 14

16 Przedstawienie ogólnych założeń projektu 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 (R m, A 5, 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:H 3, przy obszarze zmienności na hipersześcianie (hs), -- plan 3 xx (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. 15

17 A. Pytel, J. Turzyński 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 firmy 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. 16

18 Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie stan aktualny Issues related with casting production Streszczenie Przedstawiono informację za rok 2010 dotyczące produkcji odlewów ze stopów żelaza (żeliwo szare, stopowe, sferoidalne, ciągliwe oraz staliwo) w Polsce, Europie i w świecie. Dane dotyczące Polski opracowano na podstawie badań statystycznych przemysłu odlewniczego prowadzonych przez Instytut Odlewnictwa w Krakowie na zlecenie Ministerstwa Gospodarki. Zostały one uzupełnione i zestawione z danymi, podawanymi przez American Foundry Society oraz danymi otrzymywanymi z instytucji europejskich. Podjęto również próbę oszacowania prognoz rozwoju krajowego przemysłu odlewniczego w 2012 roku. Słowa kluczowe: stopy żelaza, przemysł odlewniczy, dane statystyczne Abstract The study is a 2010 review of the production of castings from iron alloys (cast iron - grey, alloyed, ductile, malleable, and cast steel) in Poland, in Europe and in the world. Polish data are based on surveys of the foundry industry conducted by Foundry Research Institute in Cracow on behalf of the Ministry of Economy. They have been completed and compared with data given by the American Foundry Society and the information supplied by various European institutions. An attempt was also made to estimate forecasts of development of the domestic foundry industry in Key words: iron alloys, foundry industry, statistical data 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]. 17

19 J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek 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 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. Tabela 1. Produkcja odlewów w podziale na tworzywa w Polsce w 2009 i 2010 roku Tworzywo odlewu Produkcja w tonach Zmiana % 2010/ Odlewy z żeliwa szarego i stopowego ,0 Odlewy z żeliwa sferoidalnego ,3 Odlewy z żeliwa ciągliwego ,5 Odlewy staliwne ,8 Razem odlewy ze stopów żelaza ,8 Odlewy ze stopów miedzi */ ,9 Odlewy ze stopów aluminium ,1 Odlewy ze stopów cynku ,5 Odlewy z innych stopów metali nieżelaznych (w tym stopy Mg) */ ,8 Razem odlewy ze stopów metali nieżelaznych ,9 Razem odlewy ze stopów żelaza i metali nieżelaznych ,9 */ dane szacunkowe z uwagi na brak danych z wielu małych odlewni produkujących odlewy ze stopów metali nieżelaznych 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. 18

20 Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie stan aktualny W 2010 roku produkcja odlewów znacznie się zwiększyła. Dane dotyczące wielkości produkcji odlewów w latach przedstawiono na rysunku 1, a udział procentowy tworzyw w całkowitej produkcji odlewów w 2010 roku na rysunku ,2 715,0 729,4 811,2 827,4 876,8 979,0 961,0 807,0 903, Produkcja w tys. ton */ Lata */ bez firm zagranicznych produkujących w Polsce felgi aluminiowe Rys. 1. Zmiany wielkości produkcji odlewów w Polsce w latach Udział w całkowitej produkcji ,9 Odlewy z żeliwa szarego i stopowego 48,0 15,7 Odlewy z żeliwa sferoidalnego 14,6 Odlewy z żeliwa ciągliwego 1,8 7,3 1,1 5,2 Odlewy staliwne 29,1 28,4 Odlewy ze stopów metali nieżelaznych Rys. 2. Udział procentowy tworzyw w produkcji odlewów w Polsce w 2010 roku i dla porównania w 2009 roku 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. 19

21 J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek 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% Stopy aluminium 12% Żeliwo sferoidalne i ciągliwe 26% Staliwo 11% Pozostałe stopy metali nieżelaznych 2% Stopy miedzi 1,8% Rys. 3. Udział produkcji odlewów z poszczególnych rodzajów tworzyw odlewniczych w produkcji odlewów ogółem w 2010 roku Poniżej przedstawiono również procentowy udział produkcji z poszczególnych rodzajów tworzyw w wybranych krajach świata (rys. 4). Rosja* Tajwan Meksyk Korea Brazylia Japonia USA Indie wszystkie stopy metali nieżelaznych Chiny 0% 20% 40% 60% 80% 100% * Dane za rok 2009 żeliwo szare staliwo pozostałe stopy metali nieżelaznych żeliwo sferoidalne i ciągliwe stopy aluminium Rys. 4. Udział produkcji odlewów z poszczególnych tworzyw w całkowitej produkcji odlewów w wybranych krajach świata 20

22 Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie stan aktualny Na rysunku 5 przedstawiono tendencje w produkcji odlewów ze stopów żelaza w świecie w latach Rys. 5. Zmiany wielkości produkcji w świecie w latach 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. Chiny 1,60 Korea Polska Brazylia 2,83 3,46 3,65 USA Włochy 5,95 6,02 Japonia 7,37 Francja 11,69 Niemcy 14, 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). 21

23 J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek Stopy miedzi 2% Pozostałe stopy metali nieżelaznych 2% Stopy aluminium 16% Staliwo 9% Żeliwo szare 41% Żeliwo sferoidalne i ciągliwe 30% Rys. 7. Udział produkcji odlewów z poszczególnych rodzajów tworzyw odlewniczych w Europie ogółem w roku 2010 Poniżej przedstawiono zmiany wielkości produkcji odlewów ze stopów żelaza w latach oraz pozycje czołowych krajów europejskich w produkcji tychże odlewów (rys. 8 i 9) , Wilekość produkcji w mln ton ,3 16, Lata odlewy ze stopów żelaza Rys. 8. Zmiany wielkości produkcji odlewów ze stopów żelaza w latach

24 Zagadnienia produkcji odlewów na bazie stopów żelaza z węglem w kraju i na świecie stan aktualny ,3 Wielkość produkcji w tys. ton ,0 640,3 0 * Dane zarok 2009 Rys. 9. Produkcja odlewów ze stopów żelaza w krajach Europy w 2010 roku Produkcja odlewów z żeliwa szarego i stopowego Produkcja odlewów z żeliwa szarego i stopowego w 2010 roku w Polsce wyniosła 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 ,9 21,5 24,4 Produkcja w tys. ton ,3 14,6 15,7 18,2 12,4 14,4 10, Lata Rys. 10. Zmiany wielkości produkcji odlewów z żeliwa szarego i stopowego w ostatnim dziesięcioleciu Procentowy udział poszczególnych technologii w wykonywaniu odlewów z żeliwa szarego i stopowego przedstawiono na rysunku

25 J.J. Sobczak, E. Balcer, A. Kryczek Pozostałe technologie 0,5 Odlewanie odśrodkowe 17,8 Odlewanie kokilowe 3,6 Formowanie w liniach automatycznych 40,6 Formowanie maszynowe 14,2 Formowanie ręczne 23, Udział procentowy Rys. 11. Procentowy udział technologii w produkcji odlewów z żeliwa szarego i stopowego 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%. Produkcja w tys. ton ,0 153,0 Eksport 34,7% Rys. 12. Produkcja i eksport odlewów z żeliwa szarego i stopowego w 2010 roku 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). 24