Opracowanie podstaw teoretycznych otrzymywania kompozytowych warstw stopowych na wybranych powierzchniach odlewów ze staliwa wglowego

Transkrypt

1 AMME th Opracowanie podstaw teoretycznych otrzymywania kompozytowych warstw stopowych na wybranych powierzchniach odlewów ze staliwa wglowego P. Wróbel, J. Gawroski, J. Szajnar Katedra Odlewnictwa, Politechnika lska ul. Towarowa 7, Gliwice, Poland In this paper the use of Simtec RWP computer program to determine process of formation alloyed composite layer on sphere casting makes from carbon steel has been presented. The work has been made to compare calkulation results with real experiment. 1. KOMPOZYTOWE WARSTWY STOPOWE NA ODLEWACH STALIWNYCH, ODPORNE NA ZUYCIE Szereg własnoci odlewów staliwnych, równie uytkowych, zaley od fizycznych i chemicznych własnoci warstwy powierzchniowej. Takimi własnociami s np. Twardo, odporno na korozj, odporno na zuycie cierne. Własnoci warstwy powierzchniowej odlewu zale przede wszystkim od warunków stygnicia oraz od reakcji na powierzchni metal / forma, czyli od rodzaju oddziaływania materiału formy na warstw powierzchniow odlewu, w warunkach zalewania i stygnicia odlewu. Szczególne własnoci odlewu staliwnego uzyskuje si przez wytworzenie kompozytowej, powierzchniowej warstwy stopowej, bezporednio w procesie odlewania staliwa. Przeprowadzone badania ukierunkowane były na zagadnienia kompozytowych warstw stopowych na staliwie, odpornych na zuycie w ronych trudnych warunkach pracy odlewów. Dua ilo zebranych informacji na temat warunków wytwarzania i własnoci takich twardych i trudnocieralnych warstw kompozytowych pozwala na stworzenie opisu mechanizmu jej powstawania. Stanowi równie podstaw do kontynuacji dalszych prac eksperymentalnych jak te opracowania modeli otrzymywania warstw kompozytowych na odlewach. 2. OPIS PROCESU OTRZYMYWANIA KOMPOZYTOWYCH WARSTW STOPOWYCH W OPARCIU O PROGRAM KOMPUTEROWY SIMTEC-RWP Współczesne eksperymentalne badania naukowe s coraz bardziej kosztowne nie tylko ze wzgldu na wysoki koszt aparatury kontrolno-pomiarowej, ale równie, a moe przede wszystkim na konieczno posiadania dla celów opracowa statystycznych duej liczby charakterystyk wybranych (istotnych) parametrów procesu. Sposób ustalania i wyboru istotnych parametrów procesów jest równie z koniecznoci ograniczony do najwaniejszych tych, które potrafimy pomiarowo oprzyrzdowa. Istniejce obecnie mniej lub bardziej skomplikowane symulacyjne programy komputerowe okazuj si w tej sytuacji bardzo poytecznym narzdziem.,,wgld do wntrza odlewu i formy w tzw. procesie,,zimnego

2 608 P. Wróbel, J. Gawroski, J. Szajnar odlewania pozwala nie tylko na popraw opracowywanej technologii, ale równie ułatwia ocen zjawisk fizycznych i krystalizacyjnych, zmniejsza koszty bada eksperymentalnych, przyspiesza wyciganie poprawnych wniosków, a nawet pozwala potwierdzi lub zanegowa teoretyczny model procesów. W niniejszej pracy wykorzystano program komputerowy SIMTEC-3D firmy RWP do modelowania procesu tworzenia si warstwy kompozytowej na odlewach kul staliwnych o rednicach φ 100, 80 i 60 mm w rónych warunkach temperaturowych zalewania i dla rónych gruboci materiału stopowego (folii) zastosowanych w formie. Plan eksperymentu komputerowego jest identyczny z planem eksperymentu rzeczywistego. Geometria objtoci kuli i geometria jej powierzchni a take geometria kształtu nadlewu stanowi, istotn trudno w zapisie komputerowym nie tylko ze wzgldu na inne potrzeby w dokładnoci modelowania ale i koniecznoci zagszczenia siatki w strefie powierzchniowej kul oraz równie ze wzgldu na tak sam potrzeb - w warstwie materiału stopowego, o stosunkowo niewielkiej gruboci 2,3 i 4 mm. Ponadto program winien,,pracowa w dwu rónych zakresach temperatur interesujcych nas ze wzgldu na dane temperaturowe staliwa (T P = C, T L = C, T S = C) oraz dane temperaturowe materiału stopowego (Fe Cr C) T L = C, T S = C oraz T 0 = 20 0 C. Jak wida z zestawienia temperatur charakterystycznych dla zakresów krzepnicia staliwa i wysokochromowej warstwy materiału stopowego, przedział pomidzy T S staliwa i T L warstwy stopowej wynosi: T S staliwa T L (Fe-Cr-C) = = 209 C T S staliwa T S (Fe-Cr-C) = = 270 C Oznacza to, e warstwa stopowa niezalenie od jej gruboci działa na odlew w pierwszej fazie kontaktu z ciekłym staliwem jako ochładzalnik zewntrzny, po czym w zalenoci od jej gruboci i masywnoci odlewu ulega nadtopieniu lub całkowitemu stopieniu. Tak wic pojemno cieplna odlewu (zalena od modułu krzepnicia odlewu dla stałej temperatury zalewania) i grubo warstwy stopowej (przy celowo dobranych parametrach temperaturowych T L (Fe-Cr-C) i T S (Fe-Cr-C) ) maj podstawowy wpływ na optymaln jako kompozytowej warstwy stopowej - a wic jej grubo w odlewie, szeroko strefy przejciowej, warunki steniowe i czasowe dyfuzji wgla i chromu w głb odlewu. Te czynniki decyduj o trwałoci połczenia odlewu z warstw stopow. Potwierdza si równie teza i model teoretyczny procesu, mówice o tym, e w pocztkowym chwilowym kontakcie ciekłego staliwa z warstw stopow działajc jako ochładzalnik, tworzy si na jej wewntrznej powierzchni bardzo cienka warstwa zakrzepła staliwa, która oddajc jej swe ciepło krzepnicia nagrzewa j szybko do temperatury T S w. st., a sama roztapia si dziki znacznie wikszej pojemnoci cieplnej odlewu (zalenej równie od temperatury przegrzania staliwa) od pojemnoci cieplnej warstwy materiału stopowego. Tworzy si cienka strefa przejciowa pomidzy odlewem a warstw kompozytow. Stopowa warstwa kompozytowa tworzy si zatem ze stanu ciekłego i tylko tak dobrane parametry procesu, które gwarantuj taki jego przebieg gwarantuj równie optymaln jej jako. Poniej przedstawione zostan wyniki i przebieg bada modelowych. Ze wzgldu na potrzeb zilustrowania charakteru zjawisk towarzyszcych procesom tworzenia si kompozytowej warstwy stopowej, przedstawione zostan wyniki modelowania dla odlewu próbnego redniej kuli φ 80 mm, gruboci warstw materiału stopowego 2,3 i 4 mm, temperatur zalewania form

3 Opracowanie podstaw teoretycznych otrzymywania kompozytowych warstw , 1600 i C oraz dla rónych charakterystycznych czasów trwania procesu. Wyniki modelowania dla odlewów kul φ 100 i 60 mm wykazuj bardzo podobny lub identyczny charakter procesów. Ponadto wyniki bada przedstawiono w dwu charakterystycznych zakresach temperatur krzepnicia, a mianowicie: dla odlewu staliwnego T kr = C dla warstwy materiału stopowego T kr (Fe-Cr-C) = C Takie przedstawienie bada ułatwia ocen wizualn i termofizyczn, zachodzcych zjawisk w polu temperatur i kinetyk krzepnicia (topnienia) obszarów odlewu i warstwy kompozytowej. Na rys.1 przedstawiono geometri zestawu badawczego odlewów kul φ 100, 80, 60 i 40 mm wraz z geometri nadlewu (bdcego jednoczenie układem wlewowym). Kula φ 40 mm w zestawie badawczym pełni rol czaszy kulistej przyjmujcej ciekły metal w czasie zalewania. Wypełnianie wnki formy skorupowej dziki temu jest łagodne i szybkie, czego nie gwarantuje klasyczny układ wlewowy. Nadlew i układ kul z wzrastajcym w jego kierunku modułem krzepnicia zapewniaj właciwe zasilanie i czciow kierunkowo krzepnicia. Rys. 1. Geometria zestawu badawczego odlewów kul φ 100, φ 80, φ 60 i φ 40 Na rys. 2 i 3 pokazano pole temperatury zestawu badawczego w rónych czasach trwania procesu, w skali temperatur zakresu krzepnicia właciwego dla staliwa wglowego. Z rysunków wida bardzo szybki przyrost warstwy zakrzepłej staliwa na kompozytowej warstwie stopowej, za znacznie wolniejszy przyrost na tych czciach odlewów, gdzie ciekły metal kontaktuje si tylko z form skorupow. Z szybkoci przyrostu warstwy zakrzepłej staliwnego odlewu na kompozytowej warstwie stopowej mona sdzi o gruboci wystpujcej strefy przejciowej, w której zachodz procesy dyfuzji składników stopowych. W miar przechodzenia materiału stopowego (Fe-Cr-C) w stan ciekły ustaj przeszkody na drodze procesów rozpuszczania i dyfuzji. Wymienione procesy limituj grubo strefy przejciowej oraz stenie pierwiastków stopowych (Cr, C) w kompozytowej warstwie na odlewie. Procesy rozpuszczania i dyfuzji wpływaj, równie na kocow grubo kompozytowej warstwy stopowej, z reguły wiksz od gruboci materiału stopowego (folii) w formie. Jest to korzystny objaw, gdy pozwala to sdzi o moliwoci uzyskania dowolnie cienkich warstw kompozytowych o duej odpornoci na zuycie na wybranych powierzchniach odlewów maszynowych (charakteryzujcych si zazwyczaj mał gruboci, cianki).

4 610 P. Wróbel, J. Gawroski, J. Szajnar Analizujc t cz bada komputerowych, trzeba stwierdzi cisły zwizek pomidzy pojemnoci ciepln odlewu, wyraon modułem krzepnicia, temperatur zalewania, gruboci stopowej warstwy kompozytowej a jej jakoci, a take moliwoci jej uzyskania w procesie wytwarzania odlewu. Rys. 2. Pole temperatury dla g = 3 mm, T zal = 1600 C, τ = 15 s Rys. 3. Pole temperatury dla g = 3 mm, T zal = 1600 C, τ = 55 s Nie ulega wtpliwoci, e w warunkach produkcyjnych, wybór parametrów procesu zaleny bdzie głównie od wymaga stawianych przez proces,,kompozytowania wybranej powierzchni odlewu, co w pewnym stopniu moe zakłóca tradycyjne i ustalone ju inne parametry np. Temperatur zalewania, odbieran zwykle ze wzgldu na cienkocienno lub masywno poszczególnych czci odlewu (konieczno dolania tub uniknicia jam skurczowych). Przechodzc obecnie do przedstawienia wyników bada komputerowych dotyczcych mechanizmu tworzenia si stopowej warstwy kompozytowej na odlewach staliwnych oraz kinetyki nagrzewania si, topnienia i krzepnicia warstwy stopowej, naley przypomnie, e program komputerowy realizuje obliczenia w dwu zakresach temperatur charakterystycznych dla odlewu staliwnego ( T kr = C) i dla materiału stopowego ( T kr(fe-cr-c) = C). Pozwala to ledzi proces zmian w czasie pola temperatury w warstwie stopowej. Na rys.4,5 i 6 (kula φ 80 mm, g = 2 mm) pokazano, co dzieje si z warstw stopow dla najwyszej temperatury zalewania formy ( C) po czasie ok. 6s. Po 3s warstwa stopowa jest jeszcze w stanie stałym i szybko nagrzewa si osigajc ju po 5s stan stało ciekły. W

5 Opracowanie podstaw teoretycznych otrzymywania kompozytowych warstw 611 tym czasie odlew (patrz rys.2) staliwny zaczyna krzepn.kolejne gruboci warstwy stopowej, a wic g = 3 mm i g = 4 mm przy rónych temperaturach zalewania, ale widziane w tych samych czasach zachowuj si podobnie, wykazujc jednak silniejsze działanie ochładzajce dla staliwa, co skutkuje namroeniem warstewki, a póniej jej roztopieniem i dalszym nagrzewaniem stopowej warstwy kompozytowej. Rys. 4. Pole temperatury w warstwie stopowej - φ 80 mm, g = 2 mm, T zal = 1650 C, τ = 3 s Rys. 5. Pole temperatury w warstwie stopowej - φ 80 mm, g = 2 mm, T zal = 1650 C, τ = 5 s Rys. 6. Pole temperatury w warstwie stopowej - φ 80 mm, g = 2 mm, T zal = 1650 C, τ = 6 s

6 612 P. Wróbel, J. Gawroski, J. Szajnar 3. WNIOSKI Analizujc przebieg symulacji komputerowej i modelowanie tworzenia si kompozytowych warstw stopowych na odlewach staliwnych mona stwierdzi: a. w praktyce przemysłowej i eksploatacji odlewów z kompozytowymi warstwami stopowymi odpornymi na zuycie nie istnieje potrzeba wytwarzania warstw grubszych ni kilka mm. b. Warstwy stopowe o wikszej gruboci moliwe do uzyskania, ale ich jako budzi zastrzeenia, zwłaszcza jako powierzchni umocnionej. c. Optymalne warunki wytwarzania kompozytowych warstw na odlewach staliwnych w formach piaskowych musz uwzgldnia podstawowe tradycyjne warunki wytwarzania odlewów, w szczególnoci za istotnymi s zwizki pomidzy modułem krzepnicia odlewu a parametrami temperaturowymi ciekłego metalu (temperatura przegrzania i zalewania), grubo warstwy stopowej w granicach 2 4 mm jest mniej czuła na temperatur zalewania i masywno odlewu. d. Stopowa warstwa kompozytowa na staliwie o optymalnych własnociach mechanicznych, powstaje w procesie przetapiania materiału stopowego przez ciekły metal odlewu (powstaje ze stanu ciekłego), std technologiczne warunki jej wytwarzania musz uwzgldnia wszystkie parametry opisane, ale take skład chemiczny materiału stopowego (Fe-Cr-C), wielko ziarna materiału stopowego w folii, mas Fe-Cr-C na jednostk powierzchni formy, a take warunki metalurgiczne topnienia i odlewania. LITERATURA 1. Praca zbiorowa: Nowa technologia uszlachetniania odlewów do pracy w trudnych warunkach mechanicznych. Projekt badawczy Nr 3 P Praca zbiorowa: Badania procesów odlewniczych BK-203/RMT-3/2001.