33/9 Solitlifil<ation of Metais ant! Alloys, No. 33, 1997 KrLC(Jnięcic Metali i Stopów, Nr 33, ',\N - Otltlzial Katowiec PL ISSN

Transkrypt

1 33/9 Solitlifil<ation of Metais ant! Alloys, No. 33, 1997 KrLC(Jnięcic Metali i Stopów, Nr 33, ',\N - Otltlzial Katowiec PL ISSN PODWYŻSZANIE ŻYWOTNOŚCI ODLEWÓW ZE STALIW A ŻAROWYTRZYMALEGO BEZPOŚREDNIO W FORMIE ODLEWNICZEJ KUBICKI Jerzy Politechnika Szczecińska, PL O Szczecin, Al.Piastów 17 W pracy opisano wyniki badań zdolności do hamowania dyfuzji węgla z atmosfe1y roboczej przez powłoki Al-Cu wytworzone metodą odlewniczą na żarowytrzymałym staliwie G-25NiCrSi36 I 7. Przed próbami nawęglania doświadczalnych powłok zbadano ich skład chemiczny (zawartość Al i Cu) i zmierzono ich grubość. Jako miarę skuteczności przyjęto głębokość nawęglania, którą mierzono zliczaj ąc udziały objętościowe węglików na automatycznym analizatorze obrazu. Stwierdzono, że na poszukiwane wielkości największy wpływ wywierają : zawartość Cu i Al w powłokach a także ich grubość. Wyniki przedstawiono w postaci równań matematycznych i wykresów. Ponadto wykazano, że właściwości ochronne powłok tego typu można ksztahować przez odpowiedni dobór paran1etrów wytwarzania. Zamieszczono także wykres, któ1y jest podstawą doboru najważniejszych parametrów wytwarzania badanych powlok odlewniczych. l. Wprowadzenie Rozwój wsp ó łcze s nej techniki sprawia, że coraz czę śc i ej spotykamy s ię z sytu acj ą, gdy nieobrobione (przez skrawanie) powierzclmie odlewów, kontaktując się z gorącymi gazami (spaliny lub pochodne z piroli zy węgla czy ropy naftowej) podlegają ko-

2 71 rozji wysokotemperaturowej. Dla takich przypadków szczególnie interesującym sposobem podwyższenia żywotności jest wytwarzanie powłok w formie odlewniczej [8]. ochronnych bezpośrednio Powłokom tego typu, wytworzonym na odlewach ze staliwa żarowytrzymałego G-25NiCrSi3617, autor poświęcił szereg publikacji [2-6]. Celem niniejszej pracy jest syntetyczne przedstawienie uzyskanych rezultatów z wyraźnym zaakcentowaniem właściwości ochronnych otrzymanych powłok. 2. Materiał i metodyka badań Materiał do badań uzyskano podczas eksperymentu odlewniczego, który zaplanowano i wykonano w sposób opisany w publikacjach autora [2,6). W eksperymencie tym zmieniając szereg parametrów technologicznych procesu m. in. takich jak: - gęstość pokrycia powierzchni formy mieszaniną aktywną (Y 2 ); - średnica odlewu (Y 3 ) ; - szybkość podnoszenia metalu w formie (Y s); - ciśnienie metal o statyczne (Y 6 ); - maksymalną temperaturę nagrzania środka warstwy (Y 7 ) itp., otrzymano 43 walcowe odlewy próbne. Materiałem odlewu było każdorazowo żarowytrzymałe staliwo G-25NiCrSi3617. Z uzyskanych odlewów pobierano (przez obróbkę na tokami) materiał do analiz chemicznych skrawając na głębokość równą grubości powłoki. Analizy zawartości Al i Cu przeprowadzono metodarni klasycznymi. Pomimy powierzchni, z której pobrano materiał do analizy umożliwiły obliczenie jednostkowej gęstości pokrycia odlewu przez metalanośne składniki mieszaniny aktywnej (Al i Cu). Uśrednione wyniki analiz i obliczeń gęstości podano w tablicy l. Do badań stmktmy oraz właściwości ochronnych, materiał badawczy uzyskm1o wycinając z odlewów okrągłe plast:jy o grubości ok. 20 mm, z któ1ych po rozcięciu na połowę (wzdłuż średnicy), pierwsza część posłużyła do ana li z struktury, a dmga do badań właściwości ochronnych. Próbki te wraz z wycinkami odlewów bez powłok nawęglano w nawęglaczu stałym Carborrit CEwzbogaconym 12% dodatkiem węglanu baru.

3 72 Tablica l Zestawienie wyników badań transportu masy na drodze warstwa aktywna-odlew Nr Form a Odlew eks p e- gęstość polaycia zawartość jednostkowa gęstość xymentu [g/cm 2 ] [%] [g/cm 2 ] Al C u Al C u Al C u l 0,044 0,026 1,37 0,88 0,01 0, ,049 0,021 1,50 0,85 0,009 0,005 3 O, 151 0,089 3,22 1,50 0,037 0, ,167 0,073 3,56 1,49 0,042 0, ,044 0,026 1,50 0,96 0,008 0, ,049 0,021 1,43 l, 17 0,011 0,003 7 O, 151 0,089 1,96 1,02 0,044 0,025 8 O, 167 0,073 3,45 1,54 0,042 0, ,096 0,064 3,72 1,81 0,031 0,015 lo 0,1 14 0,046 3,37 1,61 0,032 0, ,007 0,003 0,28 0,34 0,002 0, ,200 0,100 2,61 0,98 0,049 0, ,107 0,053 3,35 1,38 0,027 0, ,107 0,053 2,78 1,66 0,034 0, ,107 0,053 2,67 1,43 0,028 0, , 107 0,053 3,22 1,68 0,029 0, , 107 0,053 3,42 1,74 0,030 0, ,107 0,053 2,72 1,59 0,028 0, ,107 0,053 3,99 1,66 0,039 0, ,107 0,053 3,65 1,88 0,043 0,020 Proces przeprowadzano w 900 C przez 20 godzin, po czym prze1ywano go w celu wymiany nawęglacza. Podczas tej wymiany próbki poddawano 2 wstrząsom cieplnym polegającym na nagrzewaniu ich w ciągu 30 min. - do temperatmy 900 C i szybkim studzeniu w oleju hartowniczym o temperaturze ok. 30 C. Powyższy cykl powtórzono 20 razy osiągając łączny czas nawęglania 400 godzin i 40 wstrząsów cieplnych. Za miarę stopnia nawęglenia stanowiącego początkowe stadium korozji wysokotemperaturowej przyjęto głębokość wnikania węgla. Wielkość t ą wyznaczano przez

4 73 zliczanie, na automatycznym analizatorze obrazu, procentowych udziałów węglików w strukturze w funkcji odległości od krawędzi próbek. Efekt kontrastowego wytrawiania węglików bez naruszania powierzchni innych składników strukturalnych powłoki i podłoża osiągnięto dobierając odczynnik Grosbecka i jednolity sposób trawienia [ 6]. Uzyskane proftle stężenia węglików pozwoliły na wyznaezenie głębokości nawęglania (GN). Przy okazji tych badań pomierzono także grubość powłok na każdej próbce. Wartości średnie z dokonanych pomiarów zamieszczono w tablicy 2, w której podano także obliczoną (w wyniku odejmowania) głębokość nawęglania pod powłoką (GNPP). 3. Opracowanie wyników Do sprawdzenia czy istnieją wiarygodne zależności między składem chemicznym powłok i ich grubością a głębokością nawęglenia postanowiono posłużyć się komputerowym programem aproksymacyjnym. Program ten opisuje z a leżności funkcjami drugiego rodzaju wyznaczanymi metodą dołączania i odrzucania, algorytm metody został opisany w pracy K. Mańczaka [7]. Jednocześnie obliczono także niezbędne wartości statystyczne. Jako zmienne niezależne przyjęto wyniki analiz chemicznych i pomiarów grubości powłok podane w tablicach l i 2 oznaczając: X1- zawrutość Al w powłoce[%], X2 -jednostkową gęstość Al [g/cm 2 ], X3- zawruiość Cu w powłoce[%], Xt -jednostkową gęstość Cu [g/cm 2 ], X5- swna zawartości Al+Cu w powłoce[%], X6 - swna jednostkowych gęstości Al+Cu [g/cm 2 ] oraz x7 - średn_ią grubość powłoki [)..lm]. Jako zmienne zależne przyjęto pomierzone głębokości nawęglenia (GN) i głębokości nawęglenia pod powłoką (GNrr) podane w tablicy 2.

5 74 Zestawienie wyników pomiarów grubości powłok i głębokości nawęglenia Tablica 2 Nr Średnia grubość powłoki Średnia głębokość nawęglenia eksperymentu [).lll] l) [lllllfl w stanie po nawęgleniu GN GNPP surowym łączna pod powłoką 0 3) o o 1784 l 219 l o lo o lwaitość średnia z 8-16 pomiarów, 2 l mierzona (5-8 pomiarów) w miejscu, gdzie powłoka ma średnią grubość, Jl próba bez powłoki l 198 W rezultacie obliczeń uzyskano następujące zależnoś ci: GN= 1281,6-328, l XtX 5-179,5ln(X,X 7 ) (l) Przy czym R == 0,929; S== 101,7; F= 53,3

6 75 GNpp=776,8-613, 7~Xs+400, IX1-1 (2) dla której R = 0,93.5; S = 168; F= 59,4. W równaniach (1) i (2) X 1 -X 7 występują w postaci standmyzowanej, obliczanej wg równania Xstand=(Xi-Xmin)/(XmooC Xmin)+O, 5 (3) gdzie Xi, Xmax. Xmin - wartości rzeczywiste. Na rysunku l pokazano przestrzenne obrazy obu funkcji. Wykresy sporządzono dla wartości rzeczywistych. Należy dodać, że dla niższych wartości X 3, poszukiwana wielkość (GN) osiągnie wartości mniejsze i odwrotnie, dla wyższych- większe (niż pokazano na rysunku la). a. x.=1,11%cu b. Rys. l. Wpływ sumarycznej zawartości Al+Cu (X 5 ), jednostkowej gęstości Cu (~) i grubości powłoki (X1) na głębokość nawęglenia: a) powłok (GN) wg zależności (l), sporządzonej dla stałej zawartości Cu w powłoce X 3 = 1,11% wag., b) pod powłoką (GNpp) wg zależności (2) 4. Omówienie wyników badań Podczas nawęglania powłoki podlegają korozji, a tworząca się zgorzelina odpada od powierzchni powodując zmniejszanie się ich gmbości. Z dmgiej strony dordzeniowa dyfuzja składników powłok (Al i Cu) powoduje przesuwanie się jej w głąb materiału odlewu. Temu zjawisku oraz opisowi zmian w strukturze powłok podczas eksploatacji autor poświęcił więcej miejsca w pracach [3, 6].

7 76 Badane powłoki wykazały zdolność do hamowania dyfuzji węgla z atmosfery, co prawda była ona mniejsza niż w przypadku powłok otrzymanych przez dyfuzyjne nasycanie w proszkach [l], jednakże z drugiej strony odznaczyły się wysoką odpornością na wstrząsy cieplne. Nawet najgorsza jakościowo powłoka wykazała mniejszą głębokość nawęglenia niż odlew z powierzchnią surową. Wyniki badań wskazują na to, że zdolność do hamowania dyfuzji węgla z atmosfery w istotny sposób zależy od składu chemicznego powłok i ich grubości. Do najważniejszych czynników wpływających na głębokość nawęglania należą: - sumaryczna zawartość Al+Cu w powłoce (Xs), - grubość powłoki (X 7 ) i -jednostkowa gęstość miedzi (Xt). Jak wykazano w pracach [2, 6], skład chemiczny powłok a także ich grubość, zależy od parametrów procesu wytwarzania, co ilustrują wykresy pokazane na rysunkach 2, 3 i 4. Rys. 2. Wpływ szybko ś ci podnoszenia metalu w formie (Ys), obliczonej temperatury nagrzewania środka warstwy (Y 7 ) i temperatmy zalewania (Y 4 ), na sumatyczną zawartość Al+Cu w powłoce Rys. 3. Wpływ gęstości poktycia fonny (Y 2 ), obliczonej temperatmy nagrzewania środka warstwy (Y 7 ) na wielkość jednostkowej gęstości Cu na odlewie

8 Max temp. nagrz ś r warstw y t cj dla temp. zalew. (Y 4 ~ 164o c) Y, Rys. 4. Wpływ gęstości pokrycia fonny (Y 2 ), szybkości podnoszenia metalu (Y 5 ) i ciśnienia metalostatycznego (Y 6 ) na grubość powłoki Rys. 5. Warstwicowy wykres uproszczonego modelu przepływu ciepła, sporządzony dla T w1= 1640 C Objaśnienia w tekście Na wykresach tych występuje parametr Y 7 (maksymalna temperatura nagrzania środka warstwy), który oblicza się na podstawie uproszczonego modelu prz epływu ciepła na drodze: odlew - warstwa aktywna - fonna odlewnicza [4,6}. Ponieważ w modelu tym parametr Y 7 jest funkcją: - grubości warstwy aktywnej (Y 2 ), - średnicy odl ewu (Y 3 ) i - temperatury zalewania staliwa (Y 4 ), możliwym stało się opracowanie metody doboru podstawowych parametrów wytwarzania odlewniczych powłok ochronnych Al-Cu na staliwie G-25NiCrSi36l7 [5,6]. Na 1ysunku 5 pokazano warstwicowy wykres ww. modelu, sporządzony dla temperahiry zalewania Y 4 = 1640 C., na któ1ym zaznaczono obszar szczególnie korzystnych warunków dla otrzymywania powłok Al-Cu bogatych w składnik i stopowe. Na wykres ten, wykorzystując dane z eksperymentu odlewniczego (średnica odlewów i grubo ś ć

9 78 warstwy aktywnej), naniesiono punkty, którym z kolei przypisano wyniki analiz chemicznych zawarte w tablicy J. W ten sposób uzyskano doświadczalną weryfikację metody doboru parametrów wytwarzania badanych pow ł ok. Dla uzyskania małej głębokości nawęglenia (dobrych właściwości ochronnych) powłoka winna wyróżniać się następującymi cechami: - zawierać dużą ilość Al i Cu; -mieć małą grubość, czyli powinna być "gęsta"; - legitymować się wysoką wartościąjednostkowej gęstości miedzi. Małą głębokość nawęglenia pod powłoką (GNpp) można uzyskać jeżeli powłoka: - zawierać będzie dużo miedzi i glinu, - mieć dużą grubość (czyli powinna być "rozrzedzona"), - odznaczać się wysoką wartościąjednostkowej gęstości miedzi. Pozoma sprzeczność w kwestii grubości powłoki, wynika jedynie z metody wyznaczania wielkości charakteryzującej właściwości ochronne powłoki i nie wymaga komentarza. 5. Wnioski l. Wszystkie badane powłoki wykazały mniejszą lub większą zdolność do hamowania dyfuzji węgla z otoczenia, co wskazuje na celowość zabezpieczania powierzchni odlewów bezpośrednio w formie odlewniczej. 2. Dla uzyskania dobrych właściwości ochronnych (małej głębokości nawęglenia) powłoka powinna wyróżniać się następującymi cechami: - zawierać dużą ilość Al i Cu, -mieć małą gmbość, czyli być "gęstą", - odznaczać się wysoką wartościąjednostkowej gęstości miedzi. 3. Badane powłoki ulegają korozji, a powstająca zgorzelina nie tworzy zwartej warstewki hamującej proces destrukcji, tak więc odlewnicze powłoki Al-Cu tworzą o chronę czasową. 4. Istnieją praktyczne możliwości sterowania składem chemicznym i grubością powłok (a tym samym właściwościami ocłu onnymi), przez właściwy dobór parametrów ich wytwarzania.

10 79 Literatura (l] Kubicld J., Christodu1u P., Ocena jakości powłok ochronnych na austenityczne stopy pracujących w atmosferach nawęglająco-utleniających, Ochrona przed korozją nr 8 i 9, (1987) s i 20 l [2] Kubicki J., Wymiana masy w procesie otrzymywania odlewniczych powłok Al-Cu na staliwie żarowytrzymałym. Przegląd Odlewnictwa, nr 6, 1994, s (3] Kubicki J., Struktura odlewniczych powłok ochronnych po długotrwałym wyżarzaniu i nawęglaniu, Archiwum TMiA, KBN P AN, Oddz. Poznań, vol 14, 1995, s (4] Kubicki J.: Mathematical model of transfer of heat for casting coats production, Archiwum TMiA, PAN Oddz. Poznań, vol. 15, 1995, s ( 5] Kubicki J.: Metoda doboru parametrów wytwarzania odlewniczych powłok o chronnych Al-Cu na staliwie żarowytrzymałym. Przegląd Odlewnictwa Nr 7-8 (1996), s [6] Kubicki J.: Odlewnicze powłoki ochronne Al-Cu na staliwie żarowyt:rzymałym. Prace Naukowe Folitechniki Szczecińskiej. Nr 529, Instytut Inżynierii Materiałowej Nr 17, Szczecin [7] Mańczak K., Metody identyfikacji wielowymiarowych obiektów sterowania, WNT, Warszawa [8] Sakwa W. : Żeliwo, Wyd. Śląsk, 1974.