OBRÓBKA CIEPLNA ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ZŁOŻACH FLUIDALNYCH D.MYSZKA 1, T.BABUL 2 1

Transkrypt

1 22/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN OBRÓBKA CIEPLNA ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ZŁOŻACH FLUIDALNYCH D.MYSZKA 1, T.BABUL 2 1 Politechnika Warszawska, Zakład Odlewnictwa ul. Narbutta 85, Warszawa, Polska 2 Instytut Mechaniki Precyzyjnej ul. Duchnicka 3, Warszawa, Polska STRESZCZENIE Jedną z technologii przyjaznych dla środowiska jest obróbka cieplna w złożach fluidalnych. Stwierdzono, że w temperaturach poniżej ok. 100 C złoża fluidalne są mało konkurencyjne w porównaniu do chłodziw ciekłych dla obróbki stali. Jednak dla żeliwa, o małej krytycznej prędkości chłodzenia, złoża fluidalne mogą służyć jako ekologiczny ekwiwalent np. kąpieli solnych, szczególnie w procesach hartowania izotermicznego. W artykule przedstawiono możliwości realizacji hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego niskostopowego w złożach fluidalnych z karborundem oraz fluidyzowanych powietrzem z parą wodną. Efekty obróbki cieplnej potwierdzono badaniami właściwości mechanicznych żeliwa. Keywords: fluidized bed, austempered ductile iron, mechanical properties. 1. WPROWADZENIE Obróbka cieplna w złożach fluidalnych lub inaczej - obróbka cieplna fluidalna [1] jest jedną z odmian technologii atmosferowej obróbki cieplnej i umożliwia prowadzenie obróbek cieplnych i cieplno-chemicznych. Złożem fluidalnym nazywamy materiał ziarnisty /znajdujący się najczęściej w retorcie/ przedmuchiwany od dołu ku górze gazem o określonej prędkości i wydajności, przy której złoże przechodzi w stan półzawieszony czyli fluidalny przyjmując własności cieczy. 1 dr inż., myszkadawid@wp.pl 2 dr inż., tomasz@imp.edu.pl

2 178 Materiałem najbardziej rozpowszechnionym w obróbce cieplnej fluidalnej jest elektrokorund o ziarnistości μm. Złoże takie można z powodzeniem fluidyzować zarówno w niskich jak i wysokich temperaturach dzięki specjalnej konstrukcji urządzeniom nazwanym - piecami lub wannami fluidalnymi. Czas potrzebny do nagrzania danego elementu do żądanej temperatury w złożu fluidalnym, jest niewiele dłuższy od czasu nagrzewania w kąpieli solnej. Również charakterystyki intensywności chłodzenia w złożu fluidalnym (rys. 1) mogą być porównywane dla uzyskiwanych podczas hartowania w oleju lub wodzie. Dodatkowym atutem złóż jest możliwość ścisłej kontroli procesu nagrzewania i chłodzenia oraz niemalże jednorodny rozkład temperatury w całej objętości warstwy fluidalnej (podobny do rozkładu temperatury w kąpieli solnej). Rys. 1. Porównanie intensywności chłodzenia nichromowej sondy termicznej 12,5x60mm prowadzonego różnymi metodami; a-woda, b-olej, c-warstwa fluidalna, d-powietrze, [2]. Fig. 1. Comparison of cooling intensity of NiCr thermocouple 12,5x60mm in different cooling medium; a-water, b-oil, fluidized bed, d-air, [2]. Pomiędzy elementem obrabianym cieplnie a złożem fluidalnym następuje złożony proces wymiany ciepła i masy [3,4]. Istotnym do podkreślenia jest fakt podobnego lub nieco gorszego w porównaniu z kąpielami solnymi współczynnika przenoszenia ciepła pomiędzy złożem, a zanurzonym w nim wsadem (współczynnik przenoszenia ciepła w złożu fluidalnym: W/m 2 K; współczynnik przenoszenia ciepła w kąpieli solnej: W/m 2 K). Natomiast w porównaniu z tradycyjnymi piecami atmosferowymi niefluidalnymi (20 50 W/m 2 K) prędkość wymiany ciepła dla złóż jest zdecydowanie większa. Szybkość chłodzenia w złożu fluidalnym zależy od zdolności odbierania ciepła przez materiał ziarnisty złoża, jak i właściwości gazowego czynnika fluidyzującego. Chłodzenie w takim ośrodku jest tym szybsze dla materiału złoża: im jest on bardziej drobnoziarnisty; im wyższy jest jego współczynnik przejmowania ciepła;

3 179 gdy prędkość przepływu gazu fluidyzującego rośnie od dolnej krytycznej wartości prędkości przepływu do wartości, w której współczynnik przewodzenia ciepła przez materiał złoża osiąga maksimum. Złoża fluidalne, ustępując innym chłodziwom pod względem największych, możliwych do uzyskania prędkości chłodzenia, znajdują jednak swój obszar zastosowań w procesach hartowniczych. Najprostszym sposobem dokładnej regulacji intensywności chłodzenia w złożu jest zmiana tzw. liczby fluidyzacji oznaczającej natężenie przepływu powietrza. Taki rodzaj sterowania złożem w funkcji czasu i/lub temperatury chłodzonego wsadu zapewnia równomierność chłodzenia co powoduje, że w zakresie temperatury ok C złoże fluidalne jako ośrodek hartowniczy góruje nad chłodziwami ciekłymi. Ze względu na ugruntowaną pozycję elektrokorundu jako materiału ziarnistego wykorzystywanego w złożach fluidalnych, w celu dodatkowego zwiększenia prędkości chłodzenia poszukiwane są raczej, inne niż powietrze, gazowe czynniki fluidyzacyjne. Testowanymi czynnikami uruchamiającymi złoże były oprócz powietrza mieszanina azotu i wodoru, dwutlenek węgla, pary ciekłego azotu, pary wodnych roztworów różnych związków chemicznych. Metody te jednak, ze względu na niezbędne dodatkowe urządzenia, dużą niestabilność procesów oraz brak uniwersalności, nie znalazły większego zastosowania zarówno w Polsce jak i zagranicą. Jak stwierdzono praktycznie, jedynie zastosowanie powietrza z parą wodną jako czynnika fluidyzującego, może być szerzej rozpowszechnione jako tani i prosty sposób poprawiający zdolności chłodzące złóż fluidalnych opartych na elektrokorundzie. Poszukiwania innych materiałów fluidalnych o własnościach eksploatacyjnych podobnych do elektrokorundu nie były do tej pory zbyt obszerne, choć próby prowadzone przez Lutego [5] wykazały, iż zastosowane przez niego specjalnego rodzaju żużle miały dość duży wpływ na zdolności chłodzące złoża. Mogły być zatem z powodzeniem zastosowane jako ośrodki do hartowania bądź hartowania izotermicznego stali lub żeliwa o odpowiedniej hartowności. 2. HARTOWANIE IZOTERMICZNE ŻELIWA W ZŁOŻACH FLUIDALNYCH Izotermiczne obróbki cieplne w złożu fluidalnym to przede wszystkim procesy nagrzewania i chłodzenia, w tym hartowania izotermicznego. Jest oczywiste, że prędkość chłodzenia w złożu fluidalnym wzrasta, gdy jego temperatura jest niższa, zatem niejednokrotnie najpierw stosuje się zanurzanie elementów w zimnym złożu, z którego następnie są one przenoszone do obróbki izotermicznej w złożu fluidalnym o żądanej temperaturze. Pomimo tych zabiegów złoże fluidalne stosuje się zwykle do chłodzenia tylko takich elementów, które charakteryzują się małą grubością ścianek albo takich, dla których przemiana izotermiczna następuje powoli [7]. Stwierdza się, że w temperaturach poniżej ok. 100 C złoże fluidalne jest mało konkurencyjne w stosunku do chłodziw ciekłych [8]. Dlatego też, chłodzenie fluidalne jest stosowane głównie jako stopniowe, w temperaturach ok. 550 C, podczas hartowa-

4 180 nia stali szybkotnących i w temperaturach C do hartowania stali narzędziowych do pracy na zimno i na gorąco [6], oraz innych gatunków stali o dostatecznie małej krytycznej prędkości chłodzenia. Z tego również względu, bardziej podatne do fluidalnego hartowania izotermicznego wydają się żeliwa. Interesujące badania hartowania izotermicznego w złożu fluidalnym żeliwa sferoidalnego stopowego i niskowęglowego zostały zrealizowane przez, wspomnianego już wcześniej przez Lutego [5]. Wynika z nich, iż zastosowanie złoża na bazie specjalnego rodzaju żużla w połączeniu z elektrokorundem oraz fluidyzacji parą specjalnego związku chemicznego umożliwia osiąganie twardości 35 i 48 HRC na wałkach żeliwnych hartowanych izotermicznie w temperaturze 300 C. Stwierdzono zatem, że poddawane badaniu żeliwo stopowe i stopowe niskowęglowe podlega prawdopodobnie przemianie bainitycznej, co może świadczyć o możliwościach aplikacyjnych tego rodzaju złóż fluidalnych. Szczegółowe badania szybkości chłodzenia przeprowadzone przy różnych kombinacjach parametrów pracy złoża oraz masywności elementów chłodzonych potwierdziły wcześniejsze założenia przydatności złóż do hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego. Rozpoczęte przez Borowskiego [8] próby obróbki cieplnej odlewów żeliwnych z wykorzystaniem złóż na bazie elektrokorundu ujawniły nowy obszar ich zastosowania w celu uzyskiwania żeliwa ADI. Stwierdzono, że prowadzenie procesu w określonych parametrach złoża fluidalnego powoduje istotne zmiany we własnościach obrabianego żeliwa. Jednocześnie odnotowano kilka mankamentów związanych z fluidalną obróbką cieplną odlewów z żeliwa sferoidalnego. Problemy te dotyczyły przede wszystkim masywności i związanej z nią hartowności obrabianych elementów. Poddawanie obróbce fluidalnej elementów o średnicy większej od 10mm powodowało uzyskiwanie mikrostruktury osnowy żeliwa sferoidalnego jak po normalizacji. Również skład chemiczny żeliwa miał zasadniczy wpływ na otrzymywane ostatecznie właściwości. Stwierdzono jednak ponad wszelką wątpliwość, iż poprzez zabiegi: austenityzacji i hartowania izotermicznego w elektrokorundowym złożu fluidalnym cienkościennych odlewów z żeliwa sferoidalnego, uzyskiwana jest struktura i właściwości żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego [8]. W jaki jednak sposób adaptować złoża fluidalne do hartowania izotermicznego żeliwa niestopowego, bądź z niewielką ilością pierwiastków stopowych, jaka może występować w żeliwie ADI? W celu udzielenia odpowiedzi na to pytanie zrealizowany został szereg doświadczeń nad nowym rodzajem złóż fluidalnych. Proponowanym przez autorów rozwiązaniem umożliwiającym zwiększenie szybkości chłodzenia elementów z żeliwa sferoidalnego w złożach fluidalnych, jest zastosowanie jako materiału ziarnistego karborundu (SiC) oraz tania i ekologiczna fluidyzacja takiego złoża powietrzem z parą wodną. 3. MODERNIZACJA PIECA FLUIDALNEGO Karborund (SiC) był do tej pory pomijany jako materiał fluidalny, zapewniający hartowanie bądź hartowanie izotermiczne. Materiał ten ma szereg cech, które mogą

5 181 wskazywać go jako alternatywę dla elektrokorundu (Al 2 O 3 ). Wysoka odporność cieplną i chemiczna, wysoka wytrzymałość mechaniczna, mniejszą gęstość oraz nieco większy od Al 2 O 3 współczynnik przejmowania ciepła, to główne zalety karborundu jako materiału fluidalnego [9]. Stwierdzono, że najkorzystniejszym sposobem zwiększenia szybkości chłodzenia w złożu fluidalnym będzie również zastąpienie fluidyzacji powietrznej fluidyzacją powietrzem z parą wodną. W związku z tym, w Instytucie Technologii Materiałowych Politechniki Warszawskiej, na bazie istniejącego pieca fluidalnego o nazwie FP450 1 produkcji IMP Warszawa (1991), powstało nowe, zmodernizowane stanowisko obróbki fluidalnej nazwane FPM450-1, przedstawione schematycznie na rysunkach 1 i 2. Instalacja ta, oprócz nowego rozwiązania sterowania temperaturą elementów grzejnych i złoża oraz nowych elementów grzejnych, została wyposażona w specjalne rozwiązanie zasilania złoża powietrzem i parą wodną, zastępujące pierwotną konstrukcję zakładającą fluidyzację samym powietrzem (rys. 2a). Rys. 2. Fig. 2. Schemat fluidyzacji złoża: a) fluidyzacja powietrzem, b) fluidyzacja powietrzem z parą wodną; 1-porowaty spiek, 2-ruszt rurowy [1]. Fluidization scheme: a) air fluidization, b) water-air fluidization; 1-porous sinter, 2-tubular grate [1]. Rozwiązanie takie zakłada, że do specjalnego, zanurzonego w złożu rusztu rurowego (rys. 3b) jest podawane powietrze wraz z odpowiednią ilością dozowanej wody. Ruszt ten jest zakończeniem dwóch rozbudowanych instalacji powietrznej i wodnej, a w szczególności: instalacji powietrznej składającej się z połączonych wężem elastycznym w układ: zaworu redukcyjno-filtrującego, rotametru oraz dwóch zaworów odcinających [10]. instalacji wodnej składającej się ze specjalnej pompy membranowej, połączonej ze zbiornikiem z wodą destylowaną [10]. Ruszt spełnia rolę parownika w którym następuje odparowanie wody w parę wodną i jednocześnie jej dozownika do nagrzanego złoża, umożliwiając j równomierne,

6 182 w odpowiedniej ilości, dostarczenie mieszaniny powietrza i przegrzanej pary wodnej (rys. 3b). 3. METODYKA BADAŃ W celu potwierdzenia możliwości hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego w złożu fluidalnym z karborundem (SiC) zaproponowano 3 warianty obróbki cieplnej dla otrzymania żeliwa ADI. Założeniem było uzyskanie materiału o właściwościach spełniających założenia Polskiej Normy [11]. Do badań wytypowano żeliwo sferoidalne wzbogacone w 0,9%Cu (tab. 1). Materiał do obróbki cieplnej przygotowano w postaci wałków 10x120mm. Po obróbce cieplnej wycięto próbki do badań wytrzymałościowych wg PN oraz do pomiarów twardości i obserwacji metalograficznych. W tabeli 2 przedstawiono parametry obróbki cieplnej dla kolejno zrealizowanych wariantów. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa sferoidalnego (%wag.) Table 1. Chemical composition of ductile cast iron (% wt.) C Si Mn P S Cu Mg 3,60 2,24 0,25 0,05 0,02 0,9 0,06 Tabela 2. Parametry obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego. Table 2. Heat treatment parameters of ductile cast iron Wariant nr Parametry austenityzacji T a [ C] t a [min.] Hartowanie izotermiczne T pi [ C] t pi [min.] Parametry obróbki fluidalnej Ilość Czas Ilość dozowanej dozowania dozowanego wody wody powietrza Q t 3 [min.] pw Q [l/godz.] p [m 3 /godz] Badania własności mechanicznych wykonano na maszynie wytrzymałościowej typu EU 20 max. sile obciążenia 200KN oraz twardościomierzu Rockwella-Brinella. Obserwacje mikrostrukturalne przeprowadzono na mikroskopie OLYMPUS IX WYNIKI BADAŃ Wyniki badań własności mechanicznych oraz obserwacje metalograficzne zostały przedstawione w tabeli 3.

7 183 Tabela 3. Mikrostruktura i własności mechaniczne otrzymanego żeliwa sferoidalnego. Table 3. Microstructure and mechanical properties of ductile cast iron Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 R m [MPa] A 5 [%] HB R m [MPa] A 5 [%] HB R m [MPa] A 5 [%] , , ,3 343 HB Uzyskane wyniki wskazują na to, że przez zastosowanie obróbki fluidalnej /hartowania izotermicznego/ można uzyskać żeliwo ADI o właściwościach spełniających założenia Polskiej Normy uzyskiwanych zwykle innymi metodami. 5. PODSUMOWANIE Tematyka złóż fluidalnych, jak wynika z przeglądu literatury, jest niezwykle obszerna. Trudno jest ująć w sposób lapidarny, a zarazem nie pomijający ważnych szczegółów, wszystkie z technik obróbki cieplnej fluidalnej oraz zagadnienia z nimi związane. W artykule podjęto próbę przedstawienia tej tematyki z ukierunkowaniem na zabiegi fluidalnego hartowania izotermicznego. Jak stwierdzono, procesy fluidalne miały do tej pory niewielkie zastosowanie w procesach hartowania głównie ze względu na niedostateczną zdolność chłodzącą. Z publikowanych badań wynika jednak, że ich własności są porównywalne, a czasami nawet lepsze od konwencjonalnych ośrodków stosowanych do hartowania izotermicznego, np. kąpieli solnych lub ołowiowych. Próby zastosowania złóż fluidalnych do hartowania izotermicznego wykazały, że z powodzeniem uzyskiwane są pożądane efekty strukturalne po zabiegach obróbki cieplnej zarówno dla stali, jak i żeliwa. Dodatkowo, złoża fluidalne zastosowane jako chłodziwa hartownicze posiadają cechy niewątpliwe rekomendujące je zamiast innych, bardziej popularnych rodzajów chłodziw. Głównymi zaletami złóż fluidalnych są: - brak toksycznych par i gazów wpływających ujemnie na środowisko naturalne i warunki użytkowania; - brak krzepnięcia charakteryzującego kąpiele solne, co powoduje stałą gotowość eksploatacyjną złóż fluidalnych; - zbędność zabiegów mycia i suszenia oraz pasywacji (w porównaniu do soli). Wyniki badań własności mechanicznych wykazały możliwość zastosowania hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego niskostopowego w celu uzyskania żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego. Badania z wykorzystaniem złóż fluidalnych na bazie karborundu i fluidyzacją złoża powietrzem z parą wodną potwierdziły

8 184 skuteczność ich zastosowania do uzyskania konkretnych gatunków żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego o własnościach mechanicznych zgodnych z Polską Normą. LITERATURA [1] Z. Rogalski: Obróbka cieplna fluidalna-stan techniki. Część I. Inżynieria Powierzchni, 2000, nr 2, [2] H. Schneider, D. Stöker: Zastosowanie porowatych spieków SIPERM do procesów fluidyzacyjnych w odlewnictwie. Przegląd Odlewnictwa, 1998, 5, [3] J. Kopeć: Badanie kinetyki niskotemperaturowego suszenia fluidyzacyjnego. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, [4] J. Jasiński, T. Frączek, L. Jeziorski: Efekty i możliwości stosowania fluidalnej obróbki cieplnej stali. Inżynieria Materiałowa, 1995, nr 3-4, [5] W. Luty: Nowe fluidalne chłodziwo hartownicze w szczególności do hartowania izotermicznego. MOCIP,1990, nr , [6] R. Pulkkinen, J. Virta: Beschleunigtes Abkühlen von Stahl und Gußeisen in einem Wirbelbett. HTM 40, 1985, 5, [7] Z. Rogalski: Obróbka cieplna fluidalna-stan techniki. Część II. Inżynieria Powierzchni, 2000, nr 4, [8] A.W. Borowski: Syntetyczne żeliwo sferoidalne poddane hartowaniu z przemiana izotermiczną (ADI). Prace Naukowe ZO ITMat. PW, 1998, [9] D. Myszka, T. Babul: Karborund w zastosowaniu na materiał fluidalny do pieców hartowniczych. (W przygotowaniu). [10] Politechnika Warszawska, Zakład Odlewnictwa, Dokumentacja Techniczna, Stanowisko badawczo-produkcyjne z piecem fluidalnym FPM [11] PN-EN ABSTRACT FLUIDIZED BED HEAT TREATMENT OF DUCTILE IRON One of ecological technologies is fluidized bed heat treatment. It was find, that fluidized beds in temperatures below about 100 C are not compete to liquid coolers in case of steel treatment. But fluidized beds could be an equivalent of salt baths (especially for austempering) to heat treatment of cast iron with small critical cooling rate. In the article were presented possibilities of austempering of low-alloyed ductile iron in SiC-based fluidized bed with water-air filtration. Effect of heat treatment were samples with mechanical properties comparable to polish standard for austempered ductile iron. Recenzent: prof. dr hab. inż. Józef Dańko.