EKSPERYMENTY TECHNOLOGICZNE WYTWARZANIA ODLEWÓW Z ŻELIWA CHROMOWEGO W WARUNKACH ODLEWNI PRZEMYSŁOWEJ

Transkrypt

1 36/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN EKSPERYMENTY TECHNOLOGICZNE WYTWARZANIA ODLEWÓW Z ŻELIWA CHROMOWEGO W WARUNKACH ODLEWNI PRZEMYSŁOWEJ A. STUDNICKI 1, J. KILARSKI 2, M. PRZYBYŁ 2, J. SUCHOŃ 2 Zakład Odlewnictwa Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechniki Śląskiej Gliwice ul. Towarowa 7 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono przykłady eksperymentów technologicznych wytwarzania odlewów z żeliwa chromowego w warunkach odlewni specjalizującej się w odlewach odpornych na ścieranie oraz żaroodpornych, mające na celu podwyższenie jakości produkcji. Key words: chromium cast iron, filling rate, bimetal, crusher hammer 1. WPROWADZENIE Żeliwo chromowe [1,2] jest materiałem, którego skład chemiczny jest dość szeroki, obejmuje 2-4 %C oraz 1,5 do ok. 30 %Cr i w całym swoim zakresie jest żeliwem białym. Oprócz chromu zawiera zwykle inne dodatki stopowe z których najważniejsze to: molibden do ok. 3 % i nikiel do 5 %. Ponadto żeliwo to może zawierać niewielkie ilości: Cu, V, Ti, W, B i N. Charakterystyczną cechą tego żeliwa jest wysoka twardość rzędu HRC w stanie po odlaniu, z możliwością powiększenia do 66 HRC drogą obróbki cieplnej. Z uwagi na różne kombinacje składu chemicznego jego struktura wyjściowa składa się zwykle z osnowy i węglików, których rodzaj uzależniony jest w głównej mierze od stosunku chromu do węgla. I tak przy stosunku Cr/C<4 struktura składa się z perlitu i cementytu chromowego (FeCr) 3 C, w zakresie Cr/C =4-12 osnowę 1 dr inż. andrzej.studnicki@polsl.pl 2 dr inż. 293

2 stanowi mieszanina austenitu i perlitu, a podstawowe węgliki są typu (CrFe) 7 C 3, natomiast przy stosunku Cr/C>>12 osnowę stanowi ferryt chromowy, a węgliki głównie typu (CrFe) 23 C 6. W obecności niklu może pojawić się osnowa austenityczno martenzytyczna i ta grupa żeliw nosi nazwę Nihard. Wymienione żeliwa ujęte zostały normą europejską EN-12513:2000, która obejmuje 3 grupy żeliw chromowych odpornych na ścieranie, a mianowicie: niskostopowe, chromowo-niklowe i niklowochromowe (Nihard), oraz wysokochromowe (11-23 %Cr). Wysoka twardość tych żeliw przyczyniła się do wykorzystania ich na odlewy elementów maszyn i urządzeń pracujących w warunkach intensywnego zużycia ściernego w różnych gałęziach gospodarki, a możliwość otrzymania różnej osnowy sprawiła, że zakres zastosowania mógł zostać rozszerzony na warunki zużycia udarowo-ściernego i pracy w wysokich temperaturach. Stąd dzisiaj żeliwo chromowe znalazło szerokie zastosowanie na odlewy odporne na ścieranie w takich przemysłach jak: energetyczny, cementowy, wapienniczy i gipsowy, ceramiczny i przerobu kruszywa, górniczy i koksowniczy, odlewniczy, hutniczy itp. W Polsce jest kilka odlewni wytwarzających odlewy z żeliwa chromowego. Inżynierowie technolodzy w tych odlewniach borykają się z wieloma problemami przy produkcji, które są związane z specyficznymi własnościami odlewniczymi żeliwa chromowego (zbliżonymi do staliwa) oraz z brakiem wiedzy o tym żeliwie wśród konstruktorów części maszyn. Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej w ramach współpracy z odlewnią specjalizującą się w odlewach z żeliwa chromowego prowadzi badania eksperymentalne mające na celu podnoszenie jakości produkcji oraz wdrażanie nowych technologii, często nowatorskich SZYBKOŚĆ WYPEŁNIANIA WNĘKI FORMY A JAKOŚĆ ODLEWU Celem pracy było określenie wpływu szybkości wypełniania wnęki formy na parametry stereologiczne fazy węglikowej oraz twardość i mikrotwardość na przekroju odlewów odpornych na zużycie ścierne wykonanych z żeliwa chromowego. Dla realizacji tego celu opracowano specjalne stanowisko badawcze umożliwiające jednoczesne zalanie trzech takich samych odlewów ( 100x150 mm) próbek z różnymi szybkościami wypełniania wnęki formy. Różną szybkość wypełniania wnęki formy, tj. 0.6; 1.0; 5.0 cm/s osiągnięto przez zróżnicowanie przekrojów wlewów doprowadzających metal. W konstrukcji formy odlewniczej wykorzystano wkładki z materiału izolacyjnego (Sibral 300) [3,4], dla znacznego zmniejszenia szybkości chłodzenia odlewu oraz otrzymania tzn. odlewu modelowego ( 30x150 mm). Badania przeprowadzono na dwóch wytopach przemysłowych zawierających odpowiednio: wytop %C i %Cr oraz wytop %C i 16.6 %Cr.

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Badając mikrotwardość na trzech przekrojach poprzecznych odlewu począwszy od strony zalewania w kierunku do centrum cieplnego odlewu zauważono wyraźny wpływ szybkości wypełniania wnęki formy na tę własność (rys.1a i rys.1b). Najmniejsze zróżnicowanie mikrotwardości oraz twardości HRC na przekrojach odlewów, występuje przy najszybszym zalewaniu. Odlew zalany najwolniej cechuje się z reguły najniższą mikrotwardością osnowy. a) b) Rys.1. Wpływ szybkości wypełniania wnęki formy na mikrotwardość osnowy żeliwa chromowego (a %C i %Cr; b %C i 16.6 %Cr) Fig.1. Influence of filling rate of mould cavity on microhardness of matrix of chromium cast iron (a %C i %Cr; b %C i 16.6 %Cr) Udział objętościowy fazy węglikowej na przekrojach odlewu zalanego z najmniejszą szybkością jest stały, natomiast największe zróżnicowanie udziału węglików występuje w odlewie najwolniej wypełnianym metalem, przy czym najmniejszy udział występuje przy powierzchni, a największy w okolicach centrum cieplnego odlewu. Wielkość węglików określona jako średnie pole z powierzchni 295

4 analizowanych wydzieleń na zgładzie, ulega niewielkiemu wzrostowi w miarę oddalania się od powierzchni odlewu. Autorzy sugerują dla grubościennych odlewów narażonych na znaczne zużycie ścierne, stosowanie dużych szybkości zalewania formy, zapewniających na przekroju odlewu mało zmienną strukturę o korzystnych własnościach. 3. ODLEWY BIMETALOWE TRUDNOŚCI TECHNOLOGICZNE Różnorodne wymagania stawiane elementom maszyn i urządzeń były i są powodem powstawania konstrukcji złożonych, składających się z różnych materiałów. Do konstrukcji tych zaliczane są również odlewy bimetalowe, składające się z dwóch stopów połączonych ze sobą w procesie odlewania. Jednym z materiałów, który coraz częściej pojawia się w odlewach bimetalowych jest żeliwo chromowe odporne na ścieranie. Żeliwo to jak wspomniano wcześniej charakteryzuje się strukturą węglikową co powoduje, że posiada wysoką twardość, jednak jest kruche, trudno obrabialne i niespawalne. W związku z powyższym szersze stosowanie tego materiału jest możliwe jedynie w postaci odlewu bimetalowego w połączeniu ze stalą lub staliwem, które to stopy zapewniają dobrą plastyczność i spawalność. Dla takich zespolonych odlewów w obecnej chwili doskonali się technologię odlewów bimetalowych (warstwowych). Istnieje kilka sposobów odlewniczego łączenia dwóch materiałów, z których przynajmniej jeden powinien być w stanie ciekłym. Sposoby te wykorzystują zjawisko skurczu, dyfuzji lub zwykłego mieszania się metali, tworząc warstwę przejściową. 3.1 Połączenie skurczowe żeliwo chromowe staliwo Technologia połączenia mechanicznego (skurczowego) polega na dwukrotnym odlewaniu. Pierwszy odlew (stanowiący fragment całości) wykonuje się z różnymi nacięciami i zaczepami, a następnie umieszcza się go w formie i zalewa innym ciekłym metalem, co w efekcie spowoduje wzajemne połączenie. Wykonanie za pomocą narzędzi nacięć i zaczepów zwykle jest pracochłonne i kosztowne, a cała technologia mało ekonomiczna. Dlatego też opracowano technologie wykonania nacięć i zaczepów stosując technologie odlewania. To stanowi nowość w całej technologii odlewów bimetalowych i jest ciągle doskonalona. W technologii tej stosuje się rdzenie ze specjalnych mas łatwo usuwalnych lub wymywalnych, po których na fragmencie odlewu pozostaje silnie rozwinięta, ażurowa powierzchnia. Z kolei ten fragment odlewu umieszcza się w formie i zalewa innym metalem tworząc odlew o połączeniu mechanicznym (skurczowym). Przykład technologii połączenia mechanicznego przedstawiono na przykładzie młotka kruszarki - rys

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.2. Istota połączenia mechanicznego (skurczowego) na przykładzie młotka kruszarki Fig.2. Mechanical (termocompression) bonding on the example of crusher hammer 3.2 Połączenie dyfuzyjne żeliwo chromowe blacha stalowa Istotą tej metody jest uzyskanie połączenia elementu stalowego (s taliwnego) z elementem żeliwnym poprzez wypełnienie ciekłym metalem (żeliwem) wnęki formy z zaformowanym elementem stalowym [5]. W technologii założono dwustopniowy proces zalewania formy. W pierwszym etapie zalewany jest tzn. podgrzewacz, dzięki któremu blacha stalowa zostaje podgrzana do odpowiedniej temperatury. W drugim etapie zalewana jest właściwa warstwa żeliwa, która ma za zadanie uzyskanie połączenia z podgrzaną blachą stalową. Podgrzewacz po ostygnięciu i wybiciu odlewu bimetalowego jest oddzielany od surowego odlewu. Na rys.3 pokazano przełom bimetalu oraz strukturę na granicy pomiędzy blachą a żeliwem chromowym. Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, że podstawowym parametrem technologicznym umożliwiającym wykonanie odlewu warstwowego jes t temperatura nagrzania blachy nie niższa niż 750 o C. Istotnymi czynnikami gwarantującymi uzyskanie dobrego odlewu bimetalowego są ponadto: optymalny dobór geometrii podgrzewacza blachy stalowej oraz czasu jego działania przed zalaniem właściwej warstwy żeliwa chromowego, zastosowanie topnika ułatwiającego dyfuzyjne połączenie blachy i żeliwa, zastosowanie właściwego pokrycia dla ułatwienia oddzielenia podgrzewacza od blachy. 297

6 a) b) Rys.3. Przełom bimetalu (a) i struktura połączenia żeliwo-blacha stalowa (b). Fig.3. Fracture of bimetal (a) and joint structure of cast iron-steel sheet (b). 3.3 Połączenie poprzez fazę ciekłą staliwo - żeliwo chromowe Duże zainteresowanie wzbudzają odlewy bimetalowe: staliwo niskostopowe-żeliwo chromowe z racji możliwości zastosowania tego rozwiązania na młotki kruszarek. Do prób wybrano najprostszy kształt młotka o masie 20 kg. Materiały zastosowane w eksperymencie to staliwo odporne na ścieranie gatunku G40CrMo4-3 i żeliwo chromowe odporne na ścieranie EN-GJNHV600(XCr14). Na podstawie rysunku młotka opracowano technologię odlewania (rys.4), wykonano model drewniany odpowiednio dzielony. 298 Rys.4. Położenie młotka w formie odlewniczej Fig.4. Position of hammer in casting mould

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Proces topienia odbywał się równocześnie w dwóch piecach. Żeliwo o masie 10 kg topiono w elektrycznym piecu indukcyjnym, a staliwo w piecu łukowym. Po stopieniu obu materiałów przystąpiono do zalewania formy. Jako pierwszy materiał wlano staliwo wypełniając formę do wysokości ok.2/3 odlewu, a następnie dopełniono formę żeliwem chromowym, przez drugi układ wlewowy. Po ostygnięciu odlew został wybity z formy, oczyszczony i oszlifowany, a następnie przeprowadzono pomiary twardości celem sprawdzenia stopnia wymieszania obu materiałów. Wykonano również analizę metalograficzną połączenia. Podstawowymi problemami przy opracowywaniu technologii tej metody są; właściwa konstrukcja układu wlewowego, tak aby wyraźnie oddzielić strumienie ciekłych stopów wypełniających wnękę formy, temperatury zalewania oraz przedział czasowy między zakończeniem zalewania pierwszego stopu a rozpoczęciem zalewania drugiego stopu. 4. KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY ŻELIWA POPRZEZ FORMĘ W odlewach odpornych na ścieranie wykonanych z żeliwa chromowego istotne jest rozdrobnienie fazy węglikowej (duże wydzielenia węglików niekorzystnie wpływają na odporność) oraz orientacja węglików [6]. Odlewy z żeliwa chromowego są najczęściej odlewami grubościennymi, co dodatkowo utrudnia ich wytwarzanie. Odlewy bimetalowe żeliwo chromowe blacha stalowa z racji technologii otrzymywania stanowią przykład takich odlewów. Duża grubość warstwy żeliwnej dochodząca często do 100 mm, oraz konieczność podgrzewania blachy stalowej powodują znaczne wydłużenie procesu krzepnięcia, co niekorzystnie wpływa na strukturę warstwy żeliwnej. Duża ilość ciepła zakumulowana we wnęce formy wydłuża czas krzepnięcia i powoduje krystalizację dużych węglików, które to niekorzystnie wpływają na odporność na zużycie ścierne odlewu. Dla ograniczenia niekorzys tnego wpływu grubości odlewu oraz konieczności stosowania podgrzewacza na ilość i wielkość węglików w odlewie, dokonano modyfikacji starej technologii (rys.5a), zgodnie ze schematem pokazanym na rys.5b [7]. Dzięki zastosowaniu ochładzalnika stalowego lub dodatkowo chłodzonego wodą, uzyskano przyśpieszenie krzepnięcia odlewu od strony powierzchni roboczej (powierzchnie styku odlewu z ochładzalnikiem) co wydatnie wpłynęło na morfologię węglików w odlewie. Analizując zmiany wielkości węglików zaobserwowano duże zróżnicowanie pomiędzy poszczególnymi odlewami, jak i w obrębie jednego odlewu. Porównując ilości węglików trzech odlewów (1- wg starej technologii, 2 - wg technologii z ochładzalnikiem stalowym, 3 - wg technologii z ochładzalnikiem wodnym) stwierdzono wyraźnie, silną zależność ilości węglików od szybkości odprowadzania ciepła z krzepnącego odlewu. Zastosowanie ochładzalnika powoduje bardzo intensywny wzrost ilości węglików, a tym samym ich rozdrobnienie w porównaniu z odlewem stygnącym swobodnie. Zastosowanie ochładzalnika metalowego spowodowało, że ilość węglików wzrasta od ok. 2 do ok. 4 razy w porównaniu do odlewu bez ochładzalnika. W przypadku ochładzalnika wodnego zasięg strefy o dużej ilości węglików jeszcze 299

8 bardziej wzrasta. W warstwie przypowierzchniowej odlewu stygnącego bez ochładzalnika średnia wielkość wydzieleń węglikowych wynosi ok. 20 µm 2. Ochładzalnik metalowy zmniejsza średnią wielkość węglików do ok. 14 µm 2, a wodny do ok. 11 µm 2. W odlewie swobodnie stygnącym już na głębokości 20 mm średnia wielkość węglików przekracza 30 µm 2, a odlewie z ochładzalnikiem metalowym węgliki o tej wielkości występują dopiero na głębokości 50 mm. Rys.5. Schemat technologii odlewu bimetalowego a) stara, b) nowa. Fig.5. Scheme of casting technology of bimetal a) old; b) new 5. ODLEWY ŻAROODPORNE ASPEKT KONSTRUKCYJNY Żeliwo wysokochromowe oprócz dobrej odporności na ścieranie zaliczane jest również do materiałów żaroodpornych, stąd zainteresowanie nim w wielu gałęziach gospodarki. Między innymi w energetyce gdzie podjęto próby zastosowania go na elementy palników w miejsce dotychczas stosowanej stali żaroodpornej. Elementy robocze w energetyce pracują często w następujących warunkach: - wysoka i zmienna temperatura rzędu o C, - ścierne działania pyłu węglowego przepływającego z prędkością ok m/s. Nagłe podwyższenie czy obniżenie temperatury, to dla materiału szok termiczny, któremu towarzyszą takie zjawiska jak zmiana wymiarów, zmiany strukturalne, które często prowadzą do inicjacji i propagacji pęknięć. Zjawiska te mają niestety charakter nieodwracalny i podlegają kumulacji, co radykalnie obniża własności wytrzymałościowe, prowadząc do przedwczesnego zużycia. Dlatego też, jak się wydaje jedynym rozwiązaniem w tej sytuacji może być zmiana lub co najmniej korekta konstrukcji z równoczesnym dostosowaniem składu chemicznego. Proponowane zmiany konstrukcyjne [8,9] polegały najczęściej na przejściu z konstrukcji skrępowanych (przesztywnionych) na tzw. swobodne. W przypadku separatorów kołowych zmodernizowano konstrukcję poprzez zastosowanie odlewanych 300

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA łopatek profilowych umocowanych na odlewanym pierścieniu wewnętrznym, a pierścień zewnętrzny palnika wykonano jako luźny z blachy stalowej. Schemat takiej konstrukcji bez pierścienia zewnętrznego przedstawia rys.6. Rys.6. Nowa konstrukcja separatora palnika wirowego Fig.6. New design of seperator of turbulent burner Modernizacja konstrukcji skrzynkowej polegała na takim przesunięciu przegród wewnętrznych oraz żeber zewnętrznych aby uniknąć w odlewie połączeń ścian typu X zastępując je połączeniami typu Z. Ponadto końcowe fragmenty skrzynki należało odprężyć przez zastosowanie na obwodzie nacięć na pewnej głębokości. Schemat takie konstrukcji przedstawiono na rys.7. Rys. 7. Poprawiona konstrukcja dyszy pyłopowietrznej Fig.7. Corrected design of coal dust nozzle W obu konstrukcjach są to zmiany nieduże, dlatego ważniejsza jest w tym przypadku zmiana materiału ze stopu o strukturze ferrytycznej na stop o strukturze 301

10 austenitycznej charakteryzującej się wyższymi własnościami wytrzymałościowymi. Taką strukturę zapewniają stopy żelaza z chromem i niklem np. staliwa chromowo - niklowe. Niestety stopy te są znacznie droższe od stopów typu ferrytycznego. LITERATURA [1] Sakwa W., Jura S., Sakwa J.: Odporne na ścieranie stopy żelaza. Część I i II. Wyd. ZG STOP, Kraków [2] Podrzucki Cz.: Żeliwo. Struktura Właściwości Zastosowanie. T.1 i 2, Wyd. ZG STOP, Kraków [3] Studnicki A.: Eksperymentalne modelowanie stygnięcia odlewu w formie. Archiwum Odlewnictwa, PAN-Katowice, rocznik 4, nr 14, 2004, [4] Przybył M., Studnicki A.: Wpływ szybkości wypełniania wnęki formy na strukturę żeliwa chromowego. Archiwum Odlewnictwa, PAN-Katowice, rocznik 5, nr 15, 2005, [5] Jura S., Suchoń J.: Odlewy warstwowe stal żeliwo. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN-Katowice Nr 24, 1995, s [6] Dogan O.N., Hawk J.A.: Efect of carbide orientation on abrasion of high Cr white cast iron, Wear 189, 1995, [7] Suchoń J.: Zastosowanie ochładzalnika w celu rozdrobnienia struktury w odlewie bimetalicznym. Archiwum Odlewnictwa PAN-Katowice Nr 10, rocznik 3, 2003, s [8] Kilarski J., Jura S., Studnicki A., Suchoń J.: Problem trwałości separatorów palników pyłowych, ZN Pol. Opolskiej, Elektryka, 1998, z. 46, s [9] Kilarski J., Studnicki A., Jura S.: Zastosowanie staliwa chromowo-niklowego na elementy palników w energetyce zawodowej, Problemy i innowacje w remontach energetycznych, Lądek Zdrój, TECHNOLOGICAL EXPERIMENTS OF PRODUCTION CASTINGS OF CHROMIUM CAST IRON IN THE FOUNDRY SUMMARY In this paper examples of technological experiments of production castings of chromium cast iron in Foundry has been presented. The Foundry produces wear resistant and stable to heat castings. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 302