POWIERZCHNIOWE KOMPOZYTOWE WARSTWY ŻELIWO CZĄSTKI CERAMICZNE

Transkrypt

1 11/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN POWIERZCHNIOWE KOMPOZYTOWE WARSTWY ŻELIWO CZĄSTKI CERAMICZNE J. GAWROŃSKI 1, J. SZAJNAR 2, P. WRÓBEL 3 Zakład Odlewnictwa, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska ul. Towarowa 7, Gliwice STRESZCZENIE W pracy przedstawiono przebieg badań nad otrzymywaniem na odlewach żeliwnych powierzchniowych kompozytowych warstw umacnianych cząstkami ceramicznymi. Opracowano skład mieszaniny kompozytujacej oraz wykonano badania własności i zastosowano opracowaną technologię dla otrzymywania odlewów użytkowych. Key words: composite layers, infiltration, thermal stroke 1. WPROWADZENIE Kompozyty na osnowie metalicznej jako nowoczesne materiały konstrukcyjne od wielu lat znajdują się w programie badań naukowych Zakładu Odlewnictwa. W tej grupie materiałów ważne miejsce zajmują powierzchniowe warstwy kompozytowe zapewniające szczególne własności wybranym powierzchniom odlewów takie jak: - odporność na zużycie, nieporównywalnie wyższa od odporności odlewu bazowego, - odporność na udar cieplny, - odporność na korozję, 1 prof. zw. dr inż. rmt1-6@polsl.gliwice.pl 2 dr hab. inż. Prof. Pol. Śl., jan.szajnar@polsl.gliwice.pl 3 dr inż. piotr.wrobel@polsl.gliwice.pl 107

2 - optymalna grubość powierzchniowej warstwy kompozytowej zależna od warunków pracy i grubości ścianki odlewu. Te szczególne własności odlewu uzyskuje się przez wytworzenie powierzchniowej warstwy kompozytowej, bezpośrednio w procesie odlewania. Artykuł prezentuje fragment badań dotyczący powierzchniowych warstw kompozytowych umacnianych cząstkami ceramicznymi w osnowie żeliwa szarego. Celem prowadzonych prac było określenie możliwości zwiększenia odporności na udar cieplny wybranych odlewów przez zastosowanie tej technologii. 2. POWIERZCHNIOWE WARSTWY KOMPOZYTOWE NA ODLEWACH ŻELIWNYCH Na podstawie analizy prób teoretycznego opisania zagadnienia wytwarzania powierzchniowych kompozytowych warstw stopowych na odlewach żeliwnych [1,2] można stwierdzić, że w trakcie ich powstawania zachodzą następujące procesy: - nagrzewanie się ziaren materiału kompozytującego kosztem ciepła metalu zalewanego, - przenikanie stopu w pory materiału kompozytującego oraz dalsze jego nagrzewanie, - częściowe roztapianie i rozpuszczanie ziaren materiału kompozytującego w ciekłej fazie (stopie zalewanym do formy), - dyfuzja pierwiastków (wchodzących w skład materiału kompozytującego oraz stopu zalewanego) w stanie stałym w warstwie stopowej i w strefie przejściowej podczas stygnięcia odlewu. Należy te zjawiska rozpatrywać w przypadku stosowania materiału kompozytującego niezwilżalnego ( 90 o ) przez ciekły metal jak i zwilżalnego (rys. 1). a) b) Rys. 1.Kinetyka wypełniania formy z warstwą materiału kompozytującego, ciekłym metalem. Fig. 1. Kinetics of liquid metal fill of form with composite layer. 108

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Jak wynika z rysunku 1a, w przypadku warstwy porowatej niezwilżalnej ( >90 0 ) podnoszący się w formie metal z szybkością V posiada menisk dodatni spowodowany napięciem powierzchniowym. Siły napięcia powierzchniowego równoważone są ze słupem metalu na wysokości hs. Zjawisko wnikania nie nastąpi zaraz po zetknięciu ciekłego metalu z powierzchnia porowatą. Nastąpi to dopiero wtedy, gdy ciśnienie metalostatyczne hmp przekroczy wartość ciśnienia kapilarnego. Odwrotna sytuacje będzie (rys.1b) przy przenikaniu ciekłego metalu w warstwę porowatą zwilżalną ( <90 0 ). Tym razem napięcie powierzchniowe jest czynnikiem sprzyjającym. Podnosi metal na wysokość (-hs) przyśpieszając w istotny sposób wnikanie metalu do por międzyziarnowych. Obniżenie krytycznego ciśnienia kapilarnego, czyli zwiększenie skłonności ciekłego stopu do infiltracji w warstwę materiału kompozytującego można uzyskać w wyniku: - zmniejszenia napięcia powierzchniowego stopu, np. przez dobór składu chemicznego, odtlenianie itp., - polepszenie zwilżalności za pomocą substancji powierzchniowo aktywnych topników, - zwiększenie ziarnistości składników materiału kompozytującego, czyli zwiększenie przestrzeni międzyziarnowych. Wytwarzane powierzchniowe warstwy kompozytowe to najczęściej warstwy odporne na zużycie gdzie podstawowym składnikiem materiału kompozytującego są metale, stopy metali jak również twarde związki metali: węgliki i borki. Dla uzyskania innych specjalnych własności wybranych powierzchni odlewu można stosować różne materiały ceramiczne (korund, kwarcyt). Autorzy [3] stosowali cząstki dwutlenku krzemu jako materiał podstawowy pokrycia kompozytującego dla otrzymywania powierzchniowych warstw kompozytowych na odlewach żeliwnych. Tlenku boru i alkoholu poliwinylowego używano jako lepiszcza i środków powierzchniowo czynnych. Najszersze zastosowanie jako spoiwo w pokryciu kompozytującym znalazło szkło wodne. Posiada ono małą gazotwórczość, działa odżużlająco podczas kontaktu z płynnym metalem i pozwala wprowadzać mieszaninę kompozytującą w obecności substancji powierzchniowo czynnej w stan spienionej, płynnej masy [4, 5]. W procesie termicznego suszenia spienionej masy w temperaturze o C, przeprowadzonym bezpośrednio po naniesieniu jej na wybrane powierzchnie wnęki formy, piana częściowo opada i twardnieje tworząc porowate pokrycie kompozytujące. 3. WYBRANE PRZYKŁADY BADAŃ POWIERZCHNIOWEJ WARSTWY KOMPOZYTOWEJ Z CZĄSTKAMI CERAMICZNYMI Odlewy próbne z powierzchniową warstwą kompozytową umacnianą cząstkami ceramicznymi zostały wykonane w postaci sześcianów o długości boku 80 mm. Na boczne powierzchnie wnęki formy wykonywanej z klasycznej masy formierskiej, nanoszono warstwę pokrycia kompozytującego. Warstwy kompozytowe, które chciano uzyskać powinny cechować się przede wszystkim niską przewodnością 109

4 cieplną oraz odpornością na szoki termiczne. Uznano, że najlepszym materiałem ceramicznym użytym jako składnik podstawowy mieszaniny kompozytującej, będzie piasek kwarcowy. Materiał ten zawierający około 96% SiO 2 cechuje się odpornością na wysokie temperatury, małą rozszerzalnością cieplną, dużą pojemnością cieplną i jest stosunkowo niedrogi. Użyto klasycznych piasków formierskich o wybranych wielkościach ziaren w zakresie 1,6 0,3 mm. Wstępnie piasek prażono w temperaturze 950 o C w czasie 2 h i w następnie płukano w 10% roztworze HCl. Jako spoiwa użyto szkła wodnego w postaci roztworu wodnego (1:1) w ilości 3 5%. Na podstawie wcześniejszych badań środek powierzchniowo czynny użyty został do wszystkich mieszanin kompozytujących, w ilościach umożliwiających należyte jej spienienie. Ważnym składnikiem pokrycia kompozytującego jest topnik. Do prób użyto topnika na bazie związków boru, już wcześniej opracowanego w Zakładzie Odlewnictwa dla celów otrzymywania stopowych powierzchniowych warstw kompozytowych na odlewach żeliwnych gdzie w pełni wykazał swą skuteczność. Stosowano go w ilości 3 5% zarówno w postaci stałej jak i roztworu wodnego o nieco zmodyfikowanym składzie. Po naniesieniu gotowej, spienionej mieszaniny kompozytującej w ilościach zmiennych dla poszczególnych prób w zakresie 0,3 1,25 g/cm 2 kompozytowanej powierzchni tak spreparowane formy suszono w temperaturze 250 o C w czasie 2 h. Gotowe formy zalewano żeliwem szarym w gatunku EN-GJL-200. Temperatura żeliwa mierzona w piecu bezpośrednio przed spustem wynosiła ok o C. Otrzymane odlewy charakteryzowały się wytworzoną w procesie odlewania powierzchniową warstwą kompozytową o grubości w zakresie 2 6,5 mm (zależnej od stosowanej w próbie ilości mieszaniny kompozytującej) o dobrej równomierności rozłożenia (rys. 2, 3). Rys. 2. Przełom warstwy kompozytowej, ziarnistość 0,8 1,6 mm. Fig. 2. Fracture of composite layer, granularity 0,8 1,6 mm. 110

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.3. Przełom warstwy kompozytowej, ziarnistość 0,3 0,8 mm. Fig. 3. Fracture of composite layer, granularity 0,3 0,8 mm. Rysunki 4 i 5 przedstawiają wyniki obserwacji mikroskopowych prezentowanych wyżej warstw kompozytowych. Rys. 4. Struktura warstwy kompozytowej z rys. 2. Pow. 50x. Fig. 4. Composite layer structure of fig.2. Rys. 5. Struktura warstwy kompozytowej z rys. 3. Pow. 50x. Fig. 5. Composite layer structure of fig.3. Badania odporności na udar cieplny starano się przeprowadzić w warunkach odzwierciedlających warunki rzeczywiste pracy odlewów użytkowych. W tym celu odlewy próbne z powierzchniową warstwą kompozytową nagrzewano możliwie szybko indukcyjnie do temperatury o C (temperatura była mierzona w geometrycznym środku próbki) i następnie początkowo studzono sprężonym powietrzem od strony warstwy kompozytowej. Ponieważ próby te nie doprowadziły do widocznych uszkodzeń warstwy kompozytowej, przeprowadzono analogiczną serię prób (50 powtórzeń) z chłodzeniem w wodzie. Również nie stwierdzono uszkodzeń powierzchniowej warstwy kompozytowej (rys. 6). 111

6 Rys. 6. Odlewy próbne z powierzchniową warstwą kompozytową po pełnym cyklu badań z chłodzeniem w wodzie. Fig. 6. Test cast with surface composite layer after full cycle resarch with water-cooling. 4. WLEWNICE Z POWIERZCHNIOWĄ WARSTWĄ KOMPOZYTOWĄ ŻELIWO CZĄSTKI CERAMICZNE Większa trwałość wlewnicy wzmocnionej powierzchniową kompozytową warstwą ceramiczną związana jest z charakterystykami tej warstwy w czasie eksploatacji. Ogólnie, uszkodzenia wlewnic mogą mieć trzy różne rodzaje i mogą powstawać w trzech oddzielnych fazach procesu odlewania. Pierwsze jest powodowane przez silny wstrząs cieplny przy odlewaniu ciekłej stali o wysokiej temperatu rze (powyżej 1500 o C) do wlewnicy. Temperatura powierzchni wewnętrznej wlewnicy rośnie szybko i powstaje duża różnica temperatur pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną powierzchnią wlewnicy, w związku z czym na powierzchni wewnętrznej pojawiają się naprężenia ściskające a na powierzchni zewnętrznej rozciągające. Wewnątrz wlewnicy mogą się więc tworzyć pęknięcia. Drugi rodzaj uszkodzeń wywołują cykliczne obciążenia cieplne. Trzeci rodzaj uszkodzenia może nastąpić w wyniku odwrotnego wstrząsu cieplnego. Kiedy temperatura wlewka osiągnie około 700 o C następuje wyciagnięcie wlewka z wlewnicy i temperatura powierzchni roboczej wlewnicy gwałtownie maleje, zwłaszcza gdy wlewnica jest chłodzona wodą. To wprowadza jej powierzchnię wewnętrzną w stan dużych naprężeń rozciągających a to powoduje pęknięcia. Ceramiczna powierzchniowa warstwa kompozytowa polepsza warunki pracy wlewnic. W pierwszej fazie procesu warstwa kompozytowa hamuje ostry wzrost temperatury wlewnicy ze względu na swą małą przewodność cieplną i dużą pojemnoś ć cieplną. W omawianej powyżej drugiej fazie, ceramika odznacza się dużą odpornością na utlenianie i dlatego wykazuje mniejszą skłonność do powstawania uszkodzeń drugiego rodzaju. W fazie odwrotnego wstrząsu cieplnego ciepło jest przewodzone od strefy podpowierzchniowej do powierzchni wlewnicy. Ceramika hamuje to przewodzenie ciepła i zapobiega ostremu spadkowi temperatury na powierzchni wewnętrznej, wlewnica stygnie bardziej stopniowo, co wpływa na jej trwałość. 112

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Wykonano odlewy wlewnic z żeliwa w gatunku EN-GJL 200 z powierzchniową kompozytową warstwą ceramiczną wytworzoną w procesie odlewania. Składnikiem podstawowym mieszaniny kompozytującej był piasek kwarcowy o ziarnistości 0,8 1,6 mm. Pozostałymi składnikami były topniki, szkło wodne jako spoiwo i środek powierzchniowo czynny. Uzyskano warstwy równomiernie rozłożone na powierzchni roboczej wlewnicy o średniej grubości ok. 5 mm (rys. 7, 8). Wlewnice przeznaczone do eksploatacji pracują do chwili obecnej (od X 2004r.) w warunkach Zakładu Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Rys. 7. Przełom wlewnicy z widoczną ceramiczną warstwą kompozytową Fig. 7. Fracture of the mould with ceramic composite layer 5. WNIOSKI Rys. 8. Struktura warstwy kompozytowej wlewnicy. Pow. 50x. Fig. 8. Structure of the mould with composite layer Przeprowadzone badania nad otrzymywaniem powierzchniowych kompozytowych warstw typu metal ceramika pozwoliły opracować wytyczne do technologii otrzymywania ich na użytkowych odlewach żeliwnych. W szczególności stwierdzono: 113

8 1. Piasek kwarcowy potwierdził swą przydatność jako materiał podstawowy mieszaniny kompozytującej. Ziarnistość 0,8 1,6 mm okazała się optymalną w założonych warunkach. Pozwoliła na wytworzenie powierzchniowej kompozytowej warstwy umocnionej cząstkami ceramicznymi o dobrej jakości powierzchni nie odbiegającej od jakości powierzchni odlewu nieuszlachetnionego. 2. Szkło wodne można stosować jako spoiwo w ilościach 3 5% wagowo przy wytwarzaniu pokryć kompozytujących. Zapewnia jego odpowiednią wytrzymałość i dobre związanie (przyklejanie) z powierzchnią wnęki formy. 3. Zastosowanie środka powierzchniowo czynnego umożliwia zwiększenie przestrzeni między ziarnowych w naniesionym na powierzchnię wnęki formy pokryciu kompozytującym co znakomicie polepsza warunki infiltracji ciekłego metalu i lepszą zwilżalność ziaren składnika podstawowego przez spoiwo. 4. Możliwe jest uzyskanie w założonych warunkach powierzchniowej kompozytowej warstwy typu metal ceramika o grubości 3 7 mm. 5. Odlewy wlewnic z powierzchniową kompozytową warstwą umacnianą cząstkami ceramicznymi wykonane według opracowanej technologii i przeznaczone do prób eksploatacyjnych wykazały dobrą odporność na udar cieplny a uzyskane wyniki prognozują około dwukrotnie dłuższy czas eksploatacji w porównaniu do wlewnic tradycyjnych. LITERATURA [1] Sakwa W.: Żeliwo. Wyd. Śląsk, Katowice (1974). [2] Sakwa W., Jura S., Marcinkowska J., Kusznir B., Wróbel P.: Teoretyczne podstawy wytwarzania warstw stopowych na odlewach żeliwnych. MPBP nr 20, Gliwice (1976). [3] Shi G., Ding P., Tang J. i in.: Near net shape processing of metal and ceramic composite ingot mould. Materials Science and Technology, tom 13, nr. 7 (1997). [4] Marcinkowska J., Jura S., Wróbel P.: Krystalizacja odlewów warstwowych kompozytowych odpornych na ścieranie. CPBP Gliwice (1990). [5] Wróbel P.: Praca doktorska, IMIiB, Politechnika Śląska, Gliwice, SURFACE COMPOSITE LAYERS CAST IRON CERAMICS PARTICLES SUMMARY The peper presents research results of receiving of surface composite layers on cast iron, strengthening with ceramics particles. Chemical constitution of composite mixture have been elaborated. Moreover, research of properties have been made and elaborated technology of cast have been used in practice. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski