ODDZIAŁYWANIE ZASYPKI IZOLACYJNEJ NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI PRÓBEK PRZYLANYCH DO WLEWNIC. B. DUDZIK 1 KRAKODLEW S.A., ul. Ujastek 1, Kraków

Transkrypt

1 21/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN ODDZIAŁYWANIE ZASYPKI IZOLACYJNEJ NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI PRÓBEK PRZYLANYCH DO WLEWNIC B. DUDZIK 1 KRAKODLEW S.A., ul. Ujastek 1, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono zagadnienia związane z działaniem zasypki izolacyjnej, mającym bezpośredni wpływ na strukturę, a tym samym właściwości mechaniczne próbek przylanych do masywnego odlewu. W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono, że warstwa izolatora użytego do zasypania odlewu działa na nadlewpowodując zmniejszenie jam usadowych związanych z krzepnięciem odlewu, ale także na strukturę odlewu, która zmienia się wraz z wysokością odlewu i jego zasilaniem przez ciekły metal. Sposób przygotowania ciekłego metalu był jednakowy dla wszystkich badanych odlewów wlewnic. Badania wytrzymałościowe i ocenę osnowy dokonano na próbach przylanych i odciętych od odlewu. Key words: ingot moulds, matrix, grey cast iron 1. WPROWADZENIE Żeliwo należy do najczęściej używanych tworzyw konstrukcyjnych. Kształt, wielkość i rozmieszczenie grafitu determinuje właściwości danego żeliwa, co w konsekwencji decyduje o jego przeznaczeniu. Produkcja odlewów z żeliwa szarego z grafitem płatkowym (w tym wysokojakościowego modyfikowanego) jest ustabilizowana na stałym wysokim poziomie, np. w roku 2004 wyniosła 442 tys. ton, przy wielkości produkcji żeliwa sferoidalnego wynoszącym 99,9 tys. ton [1]. Rodzaj struktury, ukształtowanej w czasie krzepnięcia i stygnięcia odlewów lub w czasie obróbki cieplnej jest złożoną funkcja wielu czynników ujętych w pracy [2]. 1 mgr inż. - doktorantka Wydziału Odlewnictwa AGH.

2 172 Strukturę żeliwa szarego uzyskuje się w odlewach wykonywanych zwykle w formach z masy piaskowej (a więc w warunkach zapewniających małą szybkość chłodzenia metalu), które zalewa się ciekłym metalem, mającym odpowiednia zdolność do grafityzacji. [3] Normalnymi składnikami strukturalnymi żeliwa są perlit, ferryt i grafit. Obok nich w niewielkich ilościach występuje eutektyka fosforowa i siarczki. [3,4] Zazwyczaj struktura żeliwa szarego zwykłego stosowanego na wlewnice składa się z grubopłatkowego grafitu w osnowie perlityczno- ferrytycznej. W zależności m.in. od osnowy metalowej możemy uzyskać różne właściwości użytkowe odlewów. Żeliwo o osnowie perlitycznej ma umiarkowaną twardość i dobrą obrabialność oraz stosunkowo dużą wytrzymałość, w porównaniu z innymi typami struktur żeliwa. Żeliwo szare perlityczno- ferrytyczne ma mniejszą wytrzymałość niż żeliwo perlityczne i znacznie mniejszą twardość Z kolei wytrzymałość żeliwa o osnowie ferrytycznej jest niewielka; przy dobrej plastyczności jest ono łatwo ścieralne i łatwo obrabialne, co w odniesieniu do odlewów wlewnic stwierdzono w pracach [3,5]. Rys.1. Widok ogólny wlewnicy. Fig. 1. General view of ingot mould.

3 173 Wlewnice żeliwne są odlewami grubościennymi (rys.1), w których uzyskanie optymalnej struktury jest bardzo utrudnione. Wpływ na różnorodność struktury (przebieg krystalizacji) ma zarówno grubość ścianek czyli konstrukcja odlewu, jak i parametry związane bezpośrednio z metalem, do których należą: skład chemiczny żeliwa, temperatura zalewania metalu do formy i sposób odprowadzania w niej ciepła. W pracy założono, że izolacja cieplna wynikająca z zastosowania zasypki izolacyjnej ma wpływ na strukturę odlewu, co było zasadniczym celem niniejszych badań. 2. METODYKA BADAŃ Wlewnice były formowane w formach piaskowych wilgotnych, wykonanych a masy bentonitowej. Masa formierska została wykonana z dodatkiem bentonitu Quickbond, który wiąże wodę, co pozwoliło na skrócenie czasu suszenia formy. Formy zostały pokryte ochronnym pokryciem wodnym a następnie suszone przez okres 4 godzin w zamkniętej suszarce komorowej. Metal (żeliwo szare GJL- 100 wg PN EN 1561) został wytopiony i przygotowany w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości o pojemności tygla 26 ton. Po wytopieniu i osiągnięciu wymaganego składu chemicznego, metal został przelany do odstojnika o pojemności 100 ton, gdzie przez okres około 6 godzin był wytrzymywany w stałej temperaturze. Następnie z odstojnika metal został przelany do kadzi zatyczkowej o pojemności 50 ton. Po wypełnieniu kadzi wykonano rafinację lancą, przez którą przepuszczono argon przez okres 3 minut. Po rafinacji żeliwa dokonano pomiaru temperatury a następnie odlano go do formy. Temperatura zalewania metalu wynosiła C. Czas zalewania wlewnicy wynosi około 90 sekund. Po zalaniu formy, wlewnice zostały zasypane w górnej części materiałem izolacyjnym w celu zaizolowania powierzchni zasilacza (nadlewu), co pozwala na maksymalne wydłużenie czasu oddziaływania ciśnienia atmosferycznego na płynny metal w zasilaczu. Działanie to powoduje lepsze wykorzystania zasilacza i zmniejszenia jam skurczowych (rys.2). Wlewki wytrzymałościowe zgodnie z PN-EN 1561 zostały umieszczone w formie, jako próby przylane, na wysokości formy góra, środek i dół wlewnicy. Po wystygnięciu i wybiciu odlewu wlewnicy odcięto i z nich wykonano próbki wytrzymałościowe oraz próbki do analizy metalograficznej. Badania metalograficzne przeprowadzono w Katedrze Odlewnictwa Żeliwa Wydział Odlewnictwa AGH, przy użyciu mikroskopu optycznego Leica MEF-M. Na próbach tych oceniono kształt grafitu oraz rodzaj osnowy metalowej.

4 174 Rys. 2. Fig. 2. Widok ogólny wlewnicy żeliwnej o grubości ścianki odlewu mm. General view of grey cast iron ingot mould with wall thickness mm. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA W związku z zastosowaną izolacją termiczną na przekroju odlewu wlewnicy zmieniła się wytrzymałość na rozciąganie R m żeliwa, we wlewku przylanym do górnej części odlewu, jak i osnowa metalowa. Przykładowe mikrostruktury żeliwa otrzymane w próbach zostały przedstawione na rysunku 3. Otrzymane mikrostruktury żeliwa pozwalają stwierdzić, że zastosowanie izolacji cieplnej na powierzchni wlewnicy, przy pozostałych stałych parametrach procesu, skutkuje otrzymaniem w górnej części odlewu zwiększonego udziału ferrytu w osnowie, zaś dolna część odlewu (różnica wysokości pomiędzy próbą dolną a górna wynosi 2000 mm) nie wykazuje zmiany w strukturze żeliwa a tym samym w wartościach wytrzymałości R m. Tabela 1. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie w próbach przylanych do wlewnicy Table 1. Tensile strength on the cast- on samples Wytrzymałość na rozciąganie R m <MPa> Góra odlewu Środek odlewu Dół odlewu Forma bez izolacji po zalaniu metalem Forma izolowana po zalaniu metalem

5 175 a) b) c) d) Rys. 3. Mikrostruktura żeliwa otrzymana w próbach przylanych do górnej części wlewnicy powiększenie 40x z zasypką izolacyjną (a) trawiona Nitalem (c), bez zasypki (b) trawiona Nitalem (d). Fig. 3. Microstructure of grey cast iron on the cast- on samples from the top of ingot mould, magnif. 40x: with isolation powder (a) prepared with Nital (c), without isolation powder (b) prepared with Nital (d). Odlewy wlewnic produkuje się m.in. z żeliwa szarego o dużym stopniu nasycenia eutektycznego Sc (1). W badanym przypadku współczynnik nasycenia eutektycznego wynosi Sc~1 (z dokładnych obliczeń otrzymujemy wartości 1.02, 1.05, 1.08, co oznacza że badane żeliwo jest stopem o składzie eutektycznym (lub lekko nadeutektycznym). C Sc = (1) 4,26 0,3Si 0,36P Zgodnie z danymi literaturowymi [3], wraz ze zwiększeniem wartości Sc spada wytrzymałość żeliwa na rozciąganie. Potwierdza się to w przeprowadzonych próbach (tabela 1), choć nie można odnieść tego w sposób bezpośredni do normy europejskiej. Wytrzymałość na próbach przylanych wg normy PN EN 1561 jest określona dopiero od gatunku EN GJL- 150, a w związku z tym dla tej specyficznej produkcji otrzymane wyniki trzeba traktować jako poglądowe. Reasumując należy stwierdzić, że użycie zasypki izolacyjnej przyczyniło się do zwiększenia udziału ferrytu w osnowie metalowej, przez co otrzymano większą plastyczność tego odlewu. Z uwagi na charakter tego typu odlewu jest to kierunek prawidłowy.

6 176 Stosując zasypkę izolacyjną zmniejszono również jamy skurczowe oraz ograniczono odbiór ciepła do powierzchni wlewnicy. LITERATURA [1] 39 th Census of Word Casting Production-2004, Modern Casting, Dec. 2005, s. 27. [2] E. Fraś : Krystalizacja metali i stopów, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa [3] C. Podrzucki : Żeliwo, Wydawnictwo ZG STOP, Kraków [4] E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa- wybrane zagadnienia, Monografia Nr 1M, 2001, PAN Oddział Katowice. [5] Praca zbiorowa pod redakcją mgr inż. E. Bućki : Produkcja i użytkowanie wlewnic. Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Katowice INFLUENCE OF THE ISOLATION POWDER ON THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES IN SAMPLES CUT FROM INGOT MOULD SUMMARY The paper refers to an effect of powder s isolation, which has direct influence to matrix on the cast- on samples. As a result of the isolator layer which has been used for covering open riser obtained decreased shrinkage cavity pipe connected with casting solidification and matrix structure, which changing with casting high s and filing up with liquid metal. Recenzent: prof. dr hab.inż. Edward Guzik.