w procesie zalewania formy w wyniku reakc.ji me.talu zalewanego ze stopowym pokryciem formy. Korzyści

Transkrypt

1 Krze~nięcie metali 1 stopów t. VI PL ISSN ISBN Osso lineum 1983 Janina M arcinkow ska TRUDNOŚCIERALNE POWŁOKI ODLEWNICZĘ NA STALIWIE Zwiększenie żywotności odlewu jest możliwe przez umocnienie powierzcłmi powłoką odlewniczą. Powłoką odlewniczą jest powłok a wyt~orzona bezpośrednio w procesie zalewania formy w wyniku reakc.ji me.talu zalewanego ze stopowym pokryciem formy. Korzyści stosowania o9,lewów umocnionych powierzcłmiowo wynikają z oszczędności pierwiastków s~~powych, z unikania trudności technologicznych odlewania tworzyw wysokostopowych oraz z możliwych do uzyskania własności odlewu, to jest dobrze, obr!'lbialnego rdze-.. nia przy utwardzonej warstwie powierzchniowej. Z przeglądu hte'nitury wy- nika jednak, że problem powłok na odlewach jest stale jęszcze niedopracowany, co niewątpliwie warunkuje zastosowanie technologii. powłok w przemyśle. Do1ychczasowe badania w Polsce koncentrują się głównie na uszlachetnianiu odlewów żeliwnych [ 1, 2, 3 J. Materiałem badawczym w przedstawionej pracy jest st~liwo w ęg lowe, które jako tworzywo odlewnicze stosowane jest powszecłmie. w budowie maszyn. Odlewy pracujące w warunkach ścierania powierzchni ulegają szybkiemu zużywaniu się wskutek dużej ścieralności staliwa. Odporność na ścieranie staliwa można skutecznie zwiększyć przez wykona~ie na powierzcłmi odlewu trudnościeralnej, twardej powłoki stopowej. Wy~tarczające jest u mocnienie odlewu tylko na odcinku powierzcłmi narażony111 mi ścieranie. Na podstawie przeprowadzonych badań [3] stwierdzon~, że bardzo przydatnym materiałem stopowym na odlewnic z ą, twardą i trudnościeralną powłokę na staliwie jest wysokowę g lowy żelazochrom Fe-Cr-C '. Prez entowarie wyniki badań uzyskano przy zastosowaniu tego mater iału na s taliwie. w. technologii powłok

2 128 Janina Marcinkowska Analiza własności fizyko-chemicznych i technologicznych staliwa węglowego, jak też wyników badań wytwarzania powłok z Fe-Cr-C na staltwie [ 3] pozwala na stwierdzenie, że procesy dominujące podczas wytwarzania powłok odlewniczych na staliwie różnią si ę od analogicznych procesów w technologii powłok na żeliwie. Wynikają stąd inne problemy związane z wytwarzaniem powłok trudnościeralnych na odlewach staliwnych niż żeliwnych. Stwierdzono również różnice między własn ościami powłok z Fe-Cr-C na staliwie i żeliwie. 1. Analiza warunków wytwarzania odlewniczych powlok na staliwie Uwzględniono te warunki, które mają zasadniczy wpływ na procesy towarzyszące powstawaniu powloki na odlewie w procesie zalewania formy. Ponieważ mechanizm powstawania i technologia powlok z Fe-Cr-C na żeliwie szarym są w znacznym stopniu opracowane, mówiąc o własnościach staliwa węglowego zestawiono je z własnościarr,i że liwa szarego. Własności odlewnicze niestopowego staliwa węglow eg o różnią się znacznie od analogicznych własności żeliwa. Różnice te najlepiej charakteryzuje porównanie lejności stopów. Lejność zależy od fizyko-chemicznych własności metalu, warunków zalewania i własności formy. Pozwala przede wszystkim na ocenę zdolności metalu do zapełnieni a formy. W szczególnym przypadku, w zastosowaniu do technologii powłok odlewniczych, pozwala również na pr zybliżoną ocenę możliwości penetracji ciekłego stopu w porowate pokrycie formy, czyli zdolności zapełnienia por w materiale naniesionym na powier zchni ę wnęki formy. Na lejność metalu ma wpływ szereg wzajemnie zależnych czynników, z których jako najważniejsze należy wymienić: temperatur ę przegrzania, skład chemiczny, napięcie powierzchniowe, lepkość, pierwotną krystalizację, wtrącenia niemetaliczne, gazy, materiał formy. Staliwo węglowe, jak też niskostopowe jest zalewane w temperaturze wyższej od temperatury zalewania niestopowego żeliwa. Temperatura zalewania staliwem odlewów cienkościennych (średnia grubość ścianki d, < sr 1 5 mm) obe jmuje zakres 1550~1600 C, natomiast odlewów grubościennych (d, > 15 mm ) C. Po uwzględnieniu temperatury początsr

3 Trudnościeralne powłoki odlewnicze ku krzepnięcia gatunków staliwa okazuje się, że w stosowanej temperaturze zalewania staliwo przegrzane jest tylko o około dag, a stąd czas pozostawania staliwa w stanie ciekłym w warunkach stygnięcia w formie jest znacznie krótszy niż żeliwa. Lejność niestopowego staliwa węglowego w dużym stopniu zależy od zawartości węgla w stopie i zwiększa się z zawartością węgla. Staliwo posiada znacznie większe napięcie powierzcłmiowe niż żeliwo. Na przykład napięcie powierzclmiowe staliwa o zawartości 0,3% C, wtemperaturze 1520 C wynosi N/m, natomiast żeliwa w 1450 C wynosi N/m. Wzrost napięcia powierzchniowego powoduje zmniejszenie lejności stopu, jak również zmniejszeni~ zwilżalności ciała stałego. Staliwo wykazuje dużą lepkość i wskutek jej ujemnego wpływu na lej: ność w odlewach staliwnych mogą występow' ać wady w postaci pęcherzy gazowych i wtrąceń niemetalicznych. Na lepkość, jak też napięcie powierzchniowe mają wpływ powierzchniowe błonki, które powstają przede wszystkim w skutek działania atmosfery utleniającej na strumień staliwa podczas zalewania. W skład tworzących się błonek wchodzą głównie tlenki, a również azotki, nierozpuszczalne w ciekłym staliwie. Ich obecność powoduje zwiększenie lepkości i napięcia powierzchniowego staliwa. W analizie warunków wytwarzania powłok odlewniczych na staliwie u względnić również należy wpływ gazów wydzielających się z metalu podczas s'tygnięcia, jak też z formy - na technologię powłok. Rozpuszczalność gazów w staliwie jest znacznie większa niż w żeliwie. Źródłem dodatkowych ilości gazów, w przypadku technologii powłok wytwarzanych metodą odlewniczą, może być lepiszcze wprowadzone do materiału stosowanego do ak'tywacji powierzchni wnęki formy. Obecność gazów, zwłaszcza gdy ich uchodzenie na zewnątrz jest utrudnionej stanowi przyczynę wad na powierzchni odlewu oraz wpływa niekorzystnie na ewentualną penetrację staliwa porowatego materiału ak'tywnego pokrycia formy, jak też na jakość warstwy stopowej. Przyczyną złej jakości warstwy stopowej wytworzonej w procesie zalewania mogą być też żużle powstające w procesie, które wskutek dużej lepkości staliwa nie są usunięte na powierzchnię odlewu.

4 130 Janina Marcinkawska 2. Sposób wykonywania próbnych odlewów umocnionych warstwą stopową Odlewnicze warstwy stopowe na staliwie wykonywano na próbnych odlewach płytek do badań oraz na próbnych odlewach części maszyn. Odlewane płytki spełniały warunki płytek nieskończenie dużych, o grubościach od 10 do 40 mm. Wielkość i kształt próbnych odlewów części maszyn, dobieranych ze względu na możliwości zastosowania technologii trudnościeralnych powłok, były różne. Stosowano staliwo węglowe L47, L50 oraz staliwo niskostopowe L3(X;S, L35GSM. Wymienione gatunki staliwa używane były często na odlewy części maszyn, zwłaszcza w górnictwie, co zadecydowało o ich zastosowaniu w badaniach. Temperatura zalewania staliwa wynosiła 1600 C. Trudnościeralne powłoki wykonywano z wysokowęglowego żelazochromu (59,96% Cr; 6,63% C). Rozdrobniony materiał stopowy rozdzielono na frakcje o ziarnistości: < 0,2 mm; 0,2~0,4 mm; 0,4:0,6 mm; 0,6:0,8 mm. W pokrycie stopowe formy wprowadzano spoiwo oraz w niektórych przypadkach topnik. Jako spoiwa używano wodnego roztworu szkła wodnego lub kleju skrobiowego. Część prób wykonano przy udziale topnika (według Patentu PRL Nr 9o830), który w przypadku technologii powłok na żeliwie bardzo istotnie aktywował proces wytwarzania warstwy stopowej [ 3 J. Topnik stanowił stop tlenowych związków boru (Na 2 B 4 o 7, B 2 o 3 ) z dodatkiem wapniokrzemu. Fokrycie stopowe, stanowiące mieszaninę Fe-Cr-C, spoiwa, ewentualnie topnika, nakładano ręcznie na powierzchnię wnęki formy. Ilość składnika stopowego nakładana w masie pokrycia stopowego zmieniała się w za- 2 kresie od 0,5 do 1,5 g Fe-Cr-C na l cm aktywowanej powierzchni formy. Próbne odlewy wykonywano w formach piaskowych. Aktywowano pokryciem stopowym powierzchnię wnęki formy lub w przypadku niektórych odlewów powierzchnię rdzenia. 3. Własności odlewniczych powłok z Fe-Cr"C na staliwie Ocenę własności powłok wykonanych na próbnych odlewach dokonano przede wszystkim opierając się na jakości powierzchni, strukturze, twardości, ścieralności i grubości powłoki. Wykonano również chemiczną ana-

5 Trudnościeralne powloki odlewnicze lizę, mikroanalizę rentgenowską oraz ilościową analizę struktury powłok. W niektórych przypadkach obserwowano wady powierzchni powłok ' zażużlenia lub zagazowania. Analiza okoliczności występowania tych wad, w połączeniu z własnościami staliwa, pozwoliła na określenie przyczyn złej jakości p owi er zchni oraz ich wyeliminowanie. Reakcje żużlotwórcze intensyfikują się przede wszystkim wskutek obecności topnika oraz szkła wodnego w stopowym pokryciu formy. Ilość żużla, jaka powstaje w procesach zachodzących typu po zalaniu formy, skutecznie zmniejszono przez wyeliminowanie topnika ze składu pokrycia oraz zastąpienie szkła wodnego innym spoiwem. W świetle przedstawionego w dyskusji mechanizmu badań kształtowania powłoki z Fe-Cr-C na staliwie topnik nie aktywuje procesów zachodzących w formie, stąd jego wyeliminowanie ze składu pokrycia stopowego wpłynęło tylko na zmniejszenie reakcji żużlotwórczych. Szkło wodne zastąpiono organicznym spoiwem węglowodanowym. Spoiwo to, w postaci kleju skrobiowego, okazało się bardzo przydatne w technologii powłok na staliwie. W celu u zyskania dobrej jakoś ci powierzchni powloki na staliwie należało dodatkowo poprze z odpowiednią technologię formy zapewnić małą gazotwórczość formy oraz łatwe odprowadzenie gazów na zewnątrz, zwłaszcza z miejsca kształtowania powłoki. Uwzględnienie w sposobie wykonywania powloki na staliwie odpowiedniego składu pokrycia stopowego i technologii formy poz woliło na wyeliminowanie wad powierzchniowych powłoki. Badania struktury powlok z Fe-Cr-C na staliwie ujawniły jej zależność od warunków technologicznych wytwarzania powłok. Strukturę powłok stanowi ferryt stopowy z wydzieleniami węglikowymi, ro z łożonymi równomiernie (rys. 1 ), lub na granicach ziarn osnowy (rys. 2). Siatkowe rozłożenie fazy węglikowej na granicach ziarn osnowy występuje, gdy zawartość chromu w powłoce jest mniejsza od około 20"/o. Na podstawie ilościowej analizy struktury powłok stwierdzono, że udział objętościowy fazy węglikowej zmienia się w szerokim zakresie od około 10 do 39% obj ętościowych, czemu odpowiada zmiana twardości badanych powłok od 390 do 770 HV. W strefie połączeni a powłoki ze staliwem można wyróżnić warstwę przejściową ferrytu chromowego (rys. 3). Rodzaj struktury bajanych powłok, wykonanych w warrmkach stosowanych w pracy wskazuje, że powłoki te kształtują się z fazy ciekłej.

6 132 Janina Marcinkowska Rys. 1, Mikrostruktura powłoki z Fe-Cr-C na staliwie. Węgliki eutektyczne, węgliki iglaste, ferryt stopowy (powiększenie 500 x) Rys. 2. Mikrostruktura powloki z Fe-Cr-C na staliwie. Węgliki eutektyczne na granicach ziarn ferrytu stopowego ( powi ększen ie 500 x)

7 Trudnościeralne powłoki odlewnicze Twardość powłok zmienia się nieznacznie na przekroju powłoki, natomiast gwałtownie maleje przy przejściu do podłoża (rys. 4). P owloki z Rys. 3. Mikrostruktura strefy przejściowej powłoka-st aliwo. W obszarze staliwa warstwa ferrytu, w warstwie stopowej wyd zielenia węglików w osnowie ferrytycznej (powi ę kszenie 100 x) HV powtaka 100 staliwo 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 Oil 0,7 0,5 0,3 0,1 O 0,2 DA Of, 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2/J 2,0 1,8 \6 1,4 1,2 1, ,6 O,L. 0,2 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 t (mm) Rys. 4. Rozkład twardości na przekroju powłoka-staliwo Fe-Cr-C, w za leżn o ści od warunków wytwarzania, z awier a ją różn e ilości chromu i węg la. P owłoki o większej z awa rtości tych pierwiastków wykazują większy udział fazy w o;:glikowej i większą twardość.

8 134 Janina M arcinkowska W tab. 1 przedstawiono zawartości chromu i węgla oraz twardości dla kilku powłok z -Cr-C na staliwie. Tabela 1. Skład chemiczny i twardość powłok z Fe-Cr-C na staliwie Cr (%) c (%) HY30 38,01 4, ,49 3, ,53 3, ,53 2, ,06 1, ,91 2, Grhbość powłoki zależy od ilości materiału pokrycia nałożonego na jednostkę powierzduli formy. Warstwa pokrycia działa w procesie jak o chładzalnik, im grubsza jest warstwa, tym większa ilość ciepła jest potrzebna do jej nagrzania oraz do przebiegu procesów rozpuszczania i dyfuzji składników stopowych podczas kształtowania powłoki. Wytwarzanie powłok odlewniczych na odlewach cienkościennych jest utrudnione, również wskutek małej lejności staliwa. Doświadczalnie stwierdzone maksymalne ilości żelazochromu, jakie mogą być związane w warstwie brzegowej odlewu staliwnego, w warunkach stosowanej technologii powłok, wynoszą około: 1, 5 g/cm 2 powierzchni formy dla grubości ścianki większej od 30 mm, 1 g/cm 2 powierzchni formy dla grub o ści ścianki większej od 20 mm, 0,5 g/cm 2 powierzchni formy dla grubości ścianki większej od 10 mm. Obserwacje i pomiary powłok wykazały, że ich gruboś ć wynosiła od około 1 mm, gdy ilość materiału aktywującego wynosiła O, 5 g/ cm 2 powierzchni formy, do około 5 mm dla 1, 5 g/cm 2 powierzchni formy. Ponadto dla jednakowej ilości materiału stopowego grubość powłoki zależy od grubości ścianki odlewu i wzrasta ze zw i ę kszeniem się pojemności cieplnej odlewu. W przypadku większej pojemności cieplnej odlewu zwiększa się jednocześnie: - czas pozostawania metalu zalewanego w stanie ciekłym, w którym zachodzą procesy rozpuszczania i rozcieńczania, oraz

9 Trudnościeralne powłoki odlewnicze czas pozostawania odlewu w stanie stałym, w zakresie temperatur, w których może przebiegać dyfuzja składników stopowych. Zwiększenie więc pojemności cieplnej odlewu powoduje przedłużenie czasu trwania procesów, bezpośrednio wpływających na końcową grubość warstwy stopowej. 4. Określenie wp)ywu warunków wytwarzania powłok na ich własności Duża liczba przeprowadzonych prób pozwoliła na o.cenę istotności wp)ywu: ziarnistości Fe-Cr-C, ilości Fe-Cr-C naniesionej na jednostkę powierzchni formy oraz grubości ścianki w stosowanym zakresie na twardość uzyska.nych powłok, w stałej temperaturze zalewania staliwa i jednakowych pozostałych warunkach procesu. Ocenę istotnqści wp)ywu wymienionych parametrów na twardość powlok dokonano za pomocą analizy waril'.ncyjnej. Metodą całkowicie istotnych różnic (CIR) [5] na poziomie istotności O, 05 zbadano różnice mię d zy średnim i twardościami powlok wytworzonych w okr eślonych warunkach procesu. Ziarnistość Fe-Cr-C do 0,6 mm nie wp)ywa istotnie na twardość powłok. Niewielki wpływ ziarnistości zao~serwowano dopiero sto sując frakcję O, 6~0, 8 mm. Taka zależność jest zgodna ze stwierdzonym kształtowaniem się badanych powłok z fazy ciekłej. Istotny wp)yw na twardość powłok ma ilość Fe-Cr-C w aktywnym pokryciu formy oraz grubość ścianki odlewu. Po wyborze metodą analizy wariancyjnej istotnych czynników poszu~iwano matematycznej zależności twardości powłok ( HV) od grubośc i płyty ( x ) oraz ilości pokrycia stopowego na powierzchni formy ( X ). Do obli czeń zastosowano metodę regresji krokowej. 2 1 Określony związ ek między HV, x oraz X przedstawia się następująco: 1 2 HV ,83 x x 2 + 0,3819 x; - 65,34 x; - 4,87 x 1 x 2. Parametry statystyczne tego równania: odchylenie standardowe współczynnik korelacji R S 59 HV 0,85, 12%), - test F dla funkcji F = 14 > F O, OS = 2,56. Parametry statystyczne równania wskazują, że na podstawie tej zależności

10 136 Janina Marcinkowska można okr eślić wpływ g rubości płyty oraz ilości zastosowanego pokrycia stopowego na twardo ść powłoki, w zadanym obszar ze zmienności czynników 10 f 4 0 mm, 2 O, 5 ;. 1, 5 g/ cm powierzchni formy. S. Wnioski - Z wykonanych prób i badań wynika możliw o ść miejscowego umocniania odlewów staliwnych twardymi powłokami z Fe-Cr-C. W tym celu stopowe pokrycie zawie r a jące żela z ochrom wysokowęglowy oraz spoiwo skrobiowe nanosi s i~ na po wie r zc hni ę formy. - Korzystne jest takie projektowanie formy, by aktywowana powierzchnia stan o wi ła po wierzchnię rdzenia. Umożliwia to wykonanie i wysusze nie aktywnego pokrycia na stanowisku formowania rdzeni, co w najmniejszym stopniu komplikuje technologię formy. - W przypadku stosowania technologii powłok nie jest wymagane podniesienie tempe r atury zalewania ponad normalnie s tosowaną dla danego odlewu. - P owłoki z Fe-Cr-C na staliwie węglowym, wykonane w warunkach stosowanych w pracy, kształtują się z fazy ciekłej. W procesach występują cych podczas powstawania powłoki zachodzi i dominuje nad innymi proces rozpuszczania cząstek wysokowęglowego żela zochromu w powierzchniowej warstwie staliw.a. Szybko obniżająca się temperatura na powierzchni odlewu zapobiega ujednorodnieniu się składu chemicznego w ściance odlewu, przez co uzyskujemy powierzchniową warstw ę stopową. Dominacja procesu rozpuszczania stopowego składnika pokrycia formy podczas kształtowania powłoki na staliwie nie wyst ~puje w przypadku tworzenia warstwy stopowej na żeliwie. U podstaw tego zjawiska leży fakt, że zmniejszenie koncentracji węg la w stopach Fe-C prowad zi do zwiększenia szybkości rozpus zczania w ęg lików chromu. Z większenie gradientu koncentracji węgla w układzie w ęg lik-stop F e-c wpływa również na zwiększenie zwilża lności wę g lików. Temperaturowa zależność szybkości rozpuszczania węglików ma charakter eksponencjalny [4 ].

11 Trudnościeralne powłoki odlewnicze Literatura [l] W. Sakwa, Z. Piłkowski: Wytwarzanie powłok ochronnych na odlewach żeliwnych na drodze infiltracji ciekłego metalu w formę, Archiwum Hutnictwa, 2 (1967). [z] J. Marcinkowska, B. Kusznir: Technologia wytwarzania warstw stopowych, na odlewach że1iwnych Krzepnięcie przy zastosowaniu pola magnetycznego, metali i stopów, zesz. 3, Ossolineum PAN, O/Katowice 1980.' [3] Międzyresortowy Problerr Badań Podstawowych nr 20: Odlewnicze trudnościeralne warstwy stopowe na odlewach, Sprawozdanie , Inst. Odl. Pol. Śląskiej, Gliwice [4] B.M. Lepinskich, A.A. Wostriakow: Rastworienije twierdych faz w metalurgiczeskich raspławach, Nauka, Moskwa [5] W. Volk: Statysiyka stosowana dla inżynierów, WNT, Warszawa \