WPŁYW POWŁOKI OCHRONNEJ NA ZJAWISKA CIEPLNE W RDZENIACH ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 157/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 26, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 26, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW POWŁOKI OCHRONNEJ NA ZJAWISKA CIEPLNE W RDZENIACH ODLEWNICZYCH J. JAKUBSKI 1, ST. M. DOBOSZ 2 Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, 3-59 Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu powłok ochronnych na zachowanie się rdzeni formierskich w podwyższonych temperaturach. Jako kryterium oceny zastosowano parametr hot distortion. Otrzymane wyniki badań pokazują, że nie tylko rodzaj osnowy ma wpływ na zachowanie rdzeni, ale także zastosowanie powłoki ochronnej. Grubość powłoki nie ma wpływu na zachowanie rdzeni w czasie deformacji cieplnej. Key words: thermal deformation, hot distortion, protective coating, core sand 1. WPROWADZENIE Szybki rozwój techniki sprawił, że stosuje się obecnie szereg nowych materiałów, które mają na celu poprawić bezpieczeństwo i funkcjonalność wytwarzanych produktów. Pomimo rozwoju różnych metod wytwarzania, odlewnictwo pozostaje jedną z głównych technologii produkcji, zwłaszcza w przemyśle ciężkim. Powoduje to wzrost wymagań odnośnie jakości otrzymywanych wyrobów. To sprawia, że prowadzone są poszukiwania nowych materiałów na formy i rdzenie odlewnicze, które sprostają oczekiwaniom odbiorców dotyczących jakości powierzchni i dokładności otrzymanych odlewów. Inną metodą poprawy właściwości mas, a co za tym idzie i odlewu jest zastosowanie odpowiednich powłok ochronnych. 1 mgr inż., jjakubski@o2.pl 2 prof. dr hab. inż., dobosz@agh.edu.pl 453

2 Stosowane obecnie powłoki można podzielić pod wzglądem oddziaływania na stop odlewniczy na pasywne, aktywne, wzmacniające i adsorbujące. Powłoki aktywne mają na celu zmianę właściwości powierzchniowej warstwy odlewu poprzez wprowadzenie do tej warstwy określonego składnika. Powłoki pasywne, zwane również ochronnymi, nie powinny powodować zmiany składu chemicznego wierzchniej warstwy odlewu. Ich zadaniem jest umożliwienie uzyskania gładkiej powierzchni odlewu oraz zabezpieczenie przed powstawaniem przypaleń i wżarć [1]. Jako kryterium oceny wpływu rodzaju powłoki na zachowanie rdzeni zastosowano badanie parametru hot distortion określanego na aparacie DMA. Parametr hot distortion symuluje zachowanie się gotowych rdzeni w trakcie zalewania [2]. W czasie oddziaływania cieplnego w rdzeniach zachodzi wiele różnych zjawisk, jak na przykład deformacja cieplna (rozszerzanie i kurczenie), termoplastyczność, destrukcja cieplna i mechaniczna, które w sumie decydują o końcowym kształcie odlewu, jego dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni a ostatecznie o jakości produkowanych odlewów. W próbie hot distortion kształtka masy jest umieszczona na wsporniku i silnie nagrzana na środku po jednej stronie. W wyniku różnicy w rozszerzalności cieplnej pomiędzy nagrzaną i zimną powierzchnią, kształtka odkształca się od źródła ciepła. Ta wielkość odkształcenia jest mierzona i rejestrowana na wykresie. Do wolnego końca kształtki przykładany jest czujnik, który rejestruje zmiany odkształcenia. Na skutek termoplastycznej natury wiązania podczas nagrzewania osiągany jest punkt, gdzie utwardzona masa nie może się dłużej odkształcać przy obciążeniu, po czym następuje odkształcenie w przeciwnym kierunku. Wielkość tego przeciwnego odkształcenia także jest mierzona i rejestrowana na wykresie. Ostatecznie dalszy rozkład spoiwa objawia się całkowitą utratą wytrzymałości i uplastycznieniem kształtki [4, 5]. 2. BADANIA WŁASNE Przeprowadzone zostały badania wpływu zastosowanej osnowy i rodzaju powłoki ochronnej na zachowanie się mas w czasie odkształcenia cieplnego. Kształtki do badania wykonano z sypkich mas samoutwardzalnych z żywicą alkidową. Kształtki wykonano z mas o składzie: - piasek kwarcowy Grudzeń Las - 1 cz. wag.; - żywica alkidowa - 1,3 cz. wag.; - izocyjanian -,3 cz. wag. - piasek chromitowy - 1 cz. wag.; - żywica alkidowa -,6 cz. wag.; - izocyjanian -,16 cz. wag. Do badań wykorzystano wodne cyrkonowe pokrycie ochronne firmy Foseco. Powłoki nanoszono przez malowanie pędzlem. Wykonano badania kształtek pokrytych 454

3 pojedynczą i podwójną warstwą powłoki. Na wykresach przedstawiono porównanie zachowań kształtki bez powłoki oraz z pojedynczą i podwójną warstwą powłoki. Na rysunku 1 przedstawione są wyniki badań parametru hot distortion dla masy z osnową kwarcową. W początkowym etapie nagrzewania kształtek bez powłoki (krzywa A) nie występują widoczne zmiany w zachowaniu kształtki. Z upływem czasu nagrzewania badana kształtka odkształca się do dołu. Prędkość odkształcenia zmienia się w niewielkim stopniu w czasie badania, wzrasta po upływie ok. 45s od momentu rozpoczęcia pomiaru. Zastosowanie powłoki cyrkonowej zmienia charakterystykę krzywej odkształcenia. Widoczne jest, że krzywa odkształcenia ma łagodniejszy przebieg, co świadczy o mniejszej szybkości nagrzewania kształtki. Charakterystyczne jest pojawienie się przystanku po upływie około 85s pomiaru. Analiza danych odczytanych z pomiaru termoelementem aparatu pokazuje, że zakres temperatur przy których występują zmiany w przebiegu krzywej deformacji odpowiada temperaturze powyżej 5 C. Zatem charakterystyczny przystanek jest prawdopodobnie spowodowany zmianami w strukturze kwarcu, które kompensują zmniejszanie wytrzymałości wynikające z termicznego rozkładu spoiwa. Liczba warstw powłoki nałożonej na kształtkę ma niewielki wpływ na położenie krzywych. Odkształcenie,[mm] 1,, -1, , -3, B -4, A C -5, -6, Rys. 1. Deformacja cieplna rdzeni na osnowie kwarcowej; A kształtka bez powłoki, B kształtka z pojedynczą warstwą powłoki; C kształtka z podwójną warstwą powłoki Fig. 1. Thermal deformation of core sands with quartz sand grains; A sample without coating, B sample with single layer of coating, C sample with double layer of coating W przypadku kształtek wykonanych na osnowie chromitowej (rysunek 2) charakter deformacji cieplnej kształtek bez powłoki (krzywa A) jest podobny do mas z osnową kwarcową. Daje się także zaobserwować wpływ ilości nałożonej warstwy na zachowanie kształtek. Zastosowanie powłoki polepsza odporność termiczną kształtki nie zmieniając przy tym charakteru odkształcenia. Pojedyncza warstwa powłoki daje lepsze efekty niż podwójna warstwa. 455

4 Charakter krzywej deformacji jest praktycznie taki sam w pr4zypadku zastosowania różnej osnowy. Przedstawione wyniki badań pokazują, że zastosowane osnowy mają niewielki wpływ na deformację cieplną gotowych rdzeni. Odkształcenie C -4 A B -5-6 Rys. 2. Deformacja cieplna rdzeni na osnowie cyrkonowej; A kztałtka bez powłoki; B kształtka z pojedynczą warstwą powłoki; C kształtka z podwójną warstwą powłoki Fig. 2 Thermal deformation of core sands with zirconium sand grains; A sample without coating, B sample with single layer of coating, C sample with double layer of coating piasek kw arcow y piasek chromitow y Odkształcenie, [mm] Rys. 3. Deformacja cieplna rdzeni z osnową cyrkonową kwarcową, kształtki z pojedynczą warstwą powłoki Fig. 3. Thermal deformation of core sands with zirconium sand grains and with single layer of protective coating 456

5 piasek kw arcow y piasek chromitow y Odkształcenie, [mm] Rys. 4. Deformacja cieplna rdzeni z osnową cyrkonową i kwarcową,, kształtki z podwójną warstwą powłoki Fig. 4. Thermal deformation of core sands with zirconium sand grains and with double layer of protective coating W przypadku kształtek z pojedynczą warstwą powłoki widoczne są już wyraźne różnice w charakterze deformacji (rysunek 3). W początkowym okresie krzywe mają zbliżony przebieg po krótkim okresie stabilizacji kształtki zaczynają się odkształcać do dołu. Odkształcenie odbywa się z porównywalnymi wartościami prędkości odkształcania. Zmiany uwidaczniają się po upływie ok. 85s od momentu rozpoczęcia badania. W przypadku masy z osnową kwarcową następuje zmiana w zachowaniu kształtki. Pomimo ciągłego nagrzewania wielkość odkształcenia badanej próbki nie zmienia się. Stan ten utrzymuje się przez okres około 35 sekund. Następnie ponownie rozpoczyna się odkształcenie do dołu, aż do momentu zniszczenia kształtki. Na rysunku 4 przedstawiono deformację cieplną kształtek wykonanych z mas na osnowie kwarcowej i chromitowej pokrytych dwoma warstwami powłoki ochronnej. Badane kształtki wykazują zbliżone zachowania do kształtek pokrytych pojedynczą warstwą powłoki. 3. WNIOSKI KOŃCOWE Przeprowadzone badania pokazują, że zastosowanie powłoki ochronnej wywiera wpływ na przebieg deformacji cieplnej rdzeni odlewniczych. Przy czym wykonane badania nie wykazały dużego wpływu grubości powłoki na sposób deformacji. Dla kształtek bez powłoki ochronnej nie zaobserwowano praktycznie różnic w sposobie deformacji dla mas opartych o różne spoiwo. Dopiero badania z powłokami ochronnymi pokazują różnice, które mogą oddziaływać na końcowe efekty procesu zalewania. Rdzenie wykonane z mas na osnowie chromitowej nie wykazują widocznych zmian w zachowaniu, w czasie oddziaływania cieplnego. Rdzenie wykonane z mas 457

6 opartych o osnowę kwarcową w czasie deformacji osiągają punkt, w którym mimo ciągłego oddziaływania ciepła nie odkształcają się. Zatem zastosowanie powłoki ochronnej skutecznie zmniejsza ilość ciepła, która dociera do kształtki. To sprawia, że prędkość destrukcji termicznej spoiwa jest mniejsza niż dla kształtek bez powłoki. W momencie osiągnięcia temperatury przemiany alotropowej przez kwarc, na skutek skokowej zmiany rozszerzalności cieplnej, powierzchnia kształtki poddawana nagrzewaniu odkształca się ku górze, co kompensuje odkształcenie do dołu związane z destrukcją spoiwa. Rodzaj powłoki także wpływa na zachowanie rdzeni co zostało przedstawione przez autorów w innych publikacjach [7]. Praca jest finansowana przez Komitet Badań Naukowych w ramach projektu nr 3 T8B LITERATURA [1] Lewandowski J. L.: Tworzywa na formy odlewnicze, Kraków, Akapit, 1997 [2] Jakubski J., Dobosz St. M.: Badanie zjawisk wysokotemperaturowych w rdzeniach odlewniczych, DOKSEM, 21, s [3] Hot-distortion Tester for Bonded Sands Instruction Manual [4] Morgan D., Fashman E. W.: The BCIRA Hot Distortion Tester for Quality in Production of Chemically Bonded Sands, AFS Transaction, 1975, nr 91, s [5] Keil M. J., Rodrigez J., Ramrattan S. N.: Thermal Distortion of Shell and Nobake Binder System, AFS Transaction, 2, nr 99, s [6] Jakubski J., Dobosz St. M.: Analiza deformacji cieplnej mas z zastosowaniem aparatu DMA, Archiwum Odlewnictwa, 23, vol. 3, nr 9, s [7] Jakubski J., Dobosz St. M., Jelinek P.: The Influence of The Protective Coating Type on Thermal Deformation of Casting Cores, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, Nr 15, s , rok 25. THE INFLUENCE OF THE PROTECTIVE COATING ON THERMAL EFFECTS IN CORE SANDS SUMMARY The influence of coating thickness and sand grains type on sample behavior in high temperature was qualified. As a criterion of estimate of the cores behaviour, the hot distortion test was applied. The received results of investigations show, that the type of sand grains has influence on cores behavior during thermal destruction. The coating thickness has not an effect on changes of cores behavior, during the thermal destruction. Recenzował: Prof. Andrzej Chojecki 458