PRZEMIANY TEMPERATUROWE KWARCU ZJAWISKIEM WPŁYWAJĄCYM NA POWSTAWANIE POWIERZCHNIOWYCH WAD ODLEWÓW

Transkrypt

1 20/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN PRZEMIANY TEMPERATUROWE KWARCU ZJAWISKIEM WPŁYWAJĄCYM NA POWSTAWANIE POWIERZCHNIOWYCH WAD ODLEWÓW J. S. KOWALSKI 1 Politechnika Krakowska, Instytut Materiałoznawstwa i Technologii Metali, Zespół Odlewnictwa, Al. Jana Pawła II 37, Kraków STRESZCZENIE W opracowaniu przedstawiono problem przemian polimorficznych kwarcu, będącego głównym składnikiem piasku formierskiego, zachodzących pod wpływem temperatury i mających bezpośredni wpływ na powstawanie naprężeń oraz zmian dylatacyjnych masy formierskiej. Badania tych zjawisk umożliwiają dokonanie oceny przydatności mas formierskich w rzeczy - wistych warunkach pracy, zmniejszając możliwość powstawania wad odlewniczych pochodzących od masy formierskiej. 1. WSTĘP Stosowanie klasycznych metod pomiaru właściwości mas formierskich pozwala w zasadzie na określenie ich przydatności do formowania, natomiast rzeczywiste warunki pracy określa się w oparciu o praktykę oraz obserwację surowego odlewu. Powierzchniowe wady odlewnicze spowodowane są przez ciekły metal, jego temperaturę oraz działanie erozyjne. Wady erozyjne powstają w zasadzie w tych miejscach formy, gdzie metal płynie z największą szybkością, natomiast wady spowodowane zmianami dylatacyjnymi (objętościowymi) oraz powstałymi naprężeniami, mogą powstać w całej wnęce formy. Piasek kwarcowy, będący najczęściej osnową masy formierskiej, jest jej najważniejszym składnikiem z punktu widzenia zmian objętościowych formy. Jego głównym składnikiem jest krzemionka (kwarc i jego odmiany). Krzemionka krystaliczna występuje w postaciach: kwarcu, trydymitu i krystobalitu w modyfikacjach wysoko- i niskotemperaturowych. 1 Dr inż., jskowal@mech.pk.edu.pl

2 134 Przemiany enancjotropowe zachodzące pomiędzy głównymi odmianami: to jest: kwarcem, trydymitem i krystobalitem, są przemianami z przebudową struktury, zachodzącymi bardzo powoli i opornie, czego dowodem jest występowanie wszystkich tych odmian w temperaturze otoczenia, pomimo, iż termodynamicznie trwały jest tu tylko kwarc. Przemiany odmian wysoko- i niskotemperaturowych należą do przemian z przebudową struktury i zachodzą bardzo łatwo i szybko, szczególnie przemiana kwarcu niskotemperaturowego w wysokotemperaturowy kwarc, która zachodzi odwracalnie i z dużą szybkością. Szereg przemian kwarcu [ 2,6] przebiega w następujący sposób: - podczas ochładzania wydziela się w temperaturze C krystobalit, który w temperaturze C ulega przemianie z przebudową na -trydymit, ten z kolei w temperaturze C ulega również przemianie z przebudową na kwarc. W temperaturze C -kwarc przechodzi (przemiana z przemieszczeniem) w -kwarc. - pozostałe z przemian z przemieszczeniem, jak: w -trydymit i w -krystobalit, zachodzą w temperaturach, odpowiednio: 120 i C. Najistotniejszą przemianą z punktu widzenia dylatacji masy formierskiej jest przemiana -kwarcu w -kwarc, zachodząca z dużą szybkością w temperaturze C. W punkcie przemiany można zauważyć nagły skok gęstości ( -kwarc 2,51 g/cm 3, -kwarc g/cm 3 ) oraz zmianę współczynnika rozszerzalności cieplnej. Zmiany dylatacyjne, zachodzące podczas tej przemiany, wynoszą ok. 1.4% (wydłużenie liniowe). Są one stosunkowo niewielkie, w porównaniu ze zmianami dylatacyjnymi, zachodzącymi podczas przemiany z przebudową -kwarcu w -trydymit, wynoszącymi ok. 14%, z tym że ta przemiana zachodzi bardzo powoli, ze względu na bardzo silne wiązania jonowe pomiędzy Si 4+ i O 2-. Dominacja piasku, jako osnowy masy formierskiej, stała się podstawą do opracowania teorii zachowania się masy formierskiej zdeterminowanej zmianami dylatometrycznymi samego piasku. Jednak dokładniejsze badania umożliwiły rozważenie połączenia efektów zmian dylatacyjnych, pochodzących równocześnie od piasku, jak i od bentonitu [5]. Jest to istotne szczególnie w przypadku mas o wysokiej zawartości bentonitu. Bentonit, wcześniej niż piasek, rozszerza się (niższa temperatura), a następnie ulega spiekaniu. Obliczona krzywa dylatacji masy formierskiej, o zawartości: 15% wagowych bentonitu, przedstawiona została na rys. 1. Wyniki analizy teoretycznej zostały potwierdzone doświadczalnie. Pozwoliły one na stwierdzenie, iż powyżej pewnej zawartości bentonitu w masie formierskiej (ok. 7%), jego rozszerzalność zaczyna dominować. Ciekły metal, wpływając do wnęki formy, oddaje ciepło masie formierskiej. Podniesienie temperatury powoduje zmianę właściwości masy poprzez zmianę jej objętości, a tym samym powstanie naprężeń w formie. Dowolne jednostki powierzchni wnęki formy znajdują się w stanie naprężeń, powstałych w wyniku warstwowego

3 135 rozkładu temperatury, pociągającego za sobą różny stopień zmian objętościowych masy formierskiej. Rys. 1. Krzywa teoretyczna dylatacji cieplnej masy formierskiej. o zawartości 15% Western Bentonite. A - dominacja rozszerzalności bentonitu, B - dominacja rozszerzalności piasku [5]. Fig. 1. Theoretical curve of thermal dilatation of green sand with 15% addition of Western Bentonite. A range dominated by linear expansion of bentonite, B range dominated by linear expansion of silica sand. W praktyce nie ma takich form odlewniczych, których powierzchniowe warstwy masy mogłyby rozszerzać się bez przeszkód. Największe naprężenia, powstałe w wyniku hamowanej rozszerzalności, występują w przypadku dużych, płaskich i nieprzerwanych powierzchni wnęki formy. Powodują one oderwanie się warstwy masy (o wyższej temperaturze) od warstw głębiej leżących (niższa temperatura), co doprowadza do powstania wad odlewniczych. Rozważania tego typu prowadzą do konkluzji, iż powstanie naprężeń w formach, po zalaniu ich ciekłym metalem, stanowi poważne utrudnienie w otrzymywaniu odlewów zdrowych, bez wad powierzchniowych. Istnieje jednak inny aspekt tegoż problemu. Podczas krzepnięcia metalu obserwowane jest zjawisko wzrostu jego objętości, podczas przechodzenia ze stanu ciekłego w stan stały (krzywa likwidus), powodujące powstanie deformacji odlewu, poprzez deformację wnęki formy. Możliwość zastosowania takiej masy formierskiej, której naprężenia dylatacyjne (ściskające) mogłyby zrównoważyć przeciwnie skierowane naprężenia metalu pozwoliłaby na eliminację, zarówno wad odlewniczych, jak i deformacji odlewów.

4 136 Powyższe rozważania wskazują wyraźnie na istotną potrzebę prowadzenia badań zjawisk dylatacyjnych, których celem byłoby zastosowanie mas o składzie optymalnym, zarówno z punktu widzenia właściwości technologicznych związanych z procesem formowania, jak i zachowania się formy podczas zalewania jej ciekłym metalem i jego krzepnięcia. 2. BADANIA WŁASNE Badania przeprowadzono na masach formierskich, sporządzonych z materiałów formierskich najczęściej stosowanych w produkcji odlewów żeliwnych i staliwnych, to jest: piaski - Krzeszówek, Zębiec średnioziarnisty Bukowno, bentonity - Bentomak i ZGM. Zawartość bentonitu wynosiła: 5, 7, 10%, wilgotność mas: i 5%. Doboru tych materiałów dokonano w oparciu o badania podstawowe, określające własności W W W W technologiczne, takie jak: R, R, P, S, W, W. Próbki do pomiaru dylatacji c r swobodnej (metoda I.O.) oraz dylatacji pod obciążeniem (piec Dieterta) wykonano według zasad zalecanych przez H. Dieterta i innych [3]. Do badań dylatometrycznych wybrano 19 najbardziej charakterystycznych mas z całego zestawu (72 masy). Dla każdej z wybranych mas przeprowadzono badania: 1. badanie dylatacji swobodnej (metoda I.O.) a) w temperaturze C; b) w temperaturze C; 2. badanie dylatacji pod obciążeniem wstępnym (metoda Dieterta) a) w temperaturze C; b) w temperaturze C. Temperatury, w których przeprowadzono badania, zarówno dylatacji swobodnej, jak i pod obciążeniem wstępnym, były uwarunkowane temperaturą przemiany polimorficznej kwarcu ( -kwarcu w -kwarc, temp C). Interesująco przedstawiają się wyniki tych badań, w formie wykresów trójwymiarowych i map, przedstawiających zależności przyrostu wytrzymałości na ściskanie R c t i przyrostu wydłużenia w funkcji stosunku wodno-glinowego, wykonane dla mas, w skład których wchodził piasek Krzeszówek oraz Bentomak, badanych w temperaturze C (rys. 2). Taki sposób opracowania wyników umożliwia precyzyjny sposób doboru masy (zawartości bentonitu i wilgotności), bądź określania wartości dylatacji, przy znajomości przyrostu wytrzymałości. Analiza tych wykresów pozwala na stwierdzenie braku prostych zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami. PODSUMOWANIE Analiza otrzymanych wyników pozwala na sformułowanie następujących wniosków: bent masy

5 Przyrost wytrzymałości na ściskanie Rct [MPa] Przyrost wydłużenia l [mm] Największą dylatacją termiczną charakteryzują się masy, w skład których wchodzi piasek Krzeszówek. Prawdopodobnie decydujące znaczenie posiada w tym Stosunek w/g Rys. 2. Zależność przyrostu wytrzymałości na ściskanie R t c oraz przyrostu wydłużenia l w funkcji stosunku wodno-glinowego według dla mas o składzie: spoiwo Bentomak i piasek Krzeszówek. Temperatura C, Fig. 2. Dependence of the compressed strength R t c and elongation l increases as a function of water-clay ratio for green sand with bentonite clay and sand Krzeszówek. Temperature C. 0.09

6 138 przypadku, nie ziarnistość piasku, lecz kształt ziarn oraz zawartość odmian polimorficznych kwarcu, 1. Bentonit krajowy ZGM powoduje powstanie większej dylatacji niż Bentomak. Spowodowane to jest prawdopodobnie mniejszą zawartością montmorylonitu (ok. 47%), posiadającego niską temperaturę spiekania, 2. Największą dylatacją termiczną charakteryzują się masy, których stosunek wodnoglinowy (w/g) wynosi ok Wartości przyrostów, zarówno długości, jak i naprężeń, sięgające poziomu 1% oraz 0.3 MPa, są bardzo duże. Niestety do tej pory są one pomijane podczas analizy technologiczności przygotowania produkcji odlewów LITERATURA [1] Baliński A. i in.: Komputerowa, trójwymiarowa ocena skłonności mas bentonitowych do tworzenia powierzchniowych wad odlewów. Opracowanie dla KBN, Instytut Odlewnictwa, Kraków [2] Dietert H.: Badania mas formierskich i rdzeniowych w podwyższonych temperaturach i ich związek z jakością odlewów. Foundry, t. 102, 1957, [3] Goerlich E.: Chemia krzemianów. PWN Warszawa, 1973, [4] Hellwig Z.: Problem optymalnego wyboru predyktant. Przegląd statystyczny nr 3-4, [5] Henschel C.: Casting Dimension and Mold Dilatation. Mod. Casting, t. 50, 1966, [6] Lewandowski L.: Materiały formierskie. PWN Warszawa, 1971, THERMAL CHANGES OF QUARTZ - AS THE PHENOMENA INFLUENCING THE FORMATION OF SURFACE DEFECTS IN CASTINGS ABSTRACT In this study further extension of the investigation of moulding sands, including examination and dilatation stress at elevated temperatures, was made. Studies of this type enable us to evaluate the sand applicability at the real conditions of perfo rmance and to eliminate the possibility of formation of effects in casting caused by the sand. The dilatation changes and the stress formed as a result of phase transformation in crystals of quartz are very serious, and this is the very reason why these effects make studies of this type necessary and advisable. Recenzent: prof. zw. dr hab. inż. Jan Lech Lewandowski.