WPŁYW MATERIAŁU FORMY WYPEŁNIANEJ POD CIŚNIENIEM ODŚRODKOWYM INTERMETALEM Fe-Al30 NA STRUKTURĘ GEOMETRYCZNĄ I NAWĘGLENIE WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWÓW

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 JANUSZ GRABIAN, KATARZYNA GAWDZIŃSKA, WOJCIECH PRZETAKIEWICZ, JAN WYSOCKI, KRZYSZTOF NOZDRZYKOWSKI WPŁYW MATERIAŁU FORMY WYPEŁNIANEJ POD CIŚNIENIEM ODŚRODKOWYM INTERMETALEM Fe-Al30 NA STRUKTURĘ GEOMETRYCZNĄ I NAWĘGLENIE WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWÓW Właściwości stopów z udziałem faz międzymetalicznych (intermetale typu Fe-Al30) umożliwiają m.in. zastosowanie tych stopów w środowisku korozyjnym, a także sprzyjającym erozji kawitacyjnej. Ze względu na dużą podatność odlewów z tych stopów na tworzenie się nieciągłości związanych ze zjawiskami skurczowymi podjęto próby odlewania tych stopów pod ciśnieniem odśrodkowym. Odlewy wykonywano na specjalnym stanowisku odlewniczym o pionowej osi wirowania, umożliwiającym uzyskanie ciśnienia do 5 MPa dla badanego stopu o gęstości 5,5 g/cm 3. Otrzymano jednostkowe odlewy o masie do 5 kg w formach piaskowych z użyciem skrzynek formierskich specjalnej konstrukcji oraz w formach grafitowych. Oceniono strukturę geometryczną powierzchni odlewów z użyciem skomputeryzowanego urządzenia firmy Hommelwerke. Określono właściwości warstwy wierzchniej nieobrobionych odlewów. Za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej w obszarze warstwy wierzchniej zbadano oddziaływanie zastosowanych form odlewniczych na budowę tej warstwy. Wykazano, że ze względu na swoje właściwości faza Fe 3 Al zabezpiecza odlewy wykonywane w formach grafitowych przed nawęgleniem. Prowadzone badania stały się podstawą dalszych działań w zakresie optymalizacji parametrów wytwarzania jednostkowych odlewów ze stopu Fe-Al30 pod ciśnieniem odśrodkowym. Słowa kluczowe: intermetale żelazo aluminium, odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym, struktura geometryczna powierzchni, warstwa wierzchnia 1. WPROWADZENIE Powierzchnia odlewów wykonywanych ze stopów Fe-Al, zwanych również stopami na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych Fe 3 Al oraz FeAl, Dr hab. inż. Dr inż. Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych AM w Szczecinie. Prof. dr hab. inż. Mgr inż. Polish Marine Service. Dr inż. Zakład Podstaw Budowy i Eksploatacji Maszyn AM w Szczecinie.

2 34 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski a także intermetalami lub intermetalikami, wykazuje szczególne właściwości. Zaliczyć do nich można dużą odporność na korozję i erozję kawitacyjną [6]. Dlatego należy dążyć (o ile to możliwe) do pozostawiania w gotowym wyrobie warstwy wierzchniej warstwa ta nie powinna być usuwana podczas obróbki skrawaniem. Postępuje się tak, wykonując np. łopatki turbin gazowych ze stopów Ti-Al oraz Ni-Al [1]. Na strukturę geometryczną powierzchni odlewu wpływają takie czynniki, jak metoda odlewania (rodzaj materiału odlewanego, materiał i struktura powierzchni formy odlewniczej), parametry procesu (temperatura metalu, temperatura formy odlewniczej) oraz inne czynniki technologiczne. Stopy żelaza zawierające 30% aluminium charakteryzują się dużym skurczem odlewniczym, dochodzącym do 4%. W odlewach z tych stopów wykonywanych w klasycznych formach odlewniczych, zarówno trwałych jak i nietrwałych, zalewanych grawitacyjnie, zaobserwowano także tendencję do powstawania nieciągłości (porowatości) skurczowej. Jednym ze sposobów ograniczenia tej wady odlewniczej jest odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym [4], stosunkowo mało popularne w Polsce w odniesieniu do odlewów wykonywanych ze stopów o wysokiej temperaturze topnienia. Odlewanie z zastosowaniem ciśnienia jest stosowane głównie do stopów metali nieżelaznych, zwłaszcza stopów aluminium, przy czym istotna jest konstrukcja formy w danej technologii. Często są to formy trwałe, metalowe. Najbardziej charakterystyczne jest tu odlewanie pod wysokim ciśnieniem, odlewanie autoklawowe, ale także coraz częściej prasowanie w stanie ciekłym (squeeze casting) lub odlewanie tiksotropowe z doprasowaniem (semi-solid squeeze casting). Podwyższone ciśnienie może występować w ciekłym metalu także podczas wypełniania form piaskowych. Takim procesem jest m.in. cosworth, w którym metal do formy piaskowej jest wtłaczany z użyciem pompy elektromagnetycznej. Metoda odlewania pod ciśnieniem odśrodkowym jest natomiast szeroko stosowana do wykonywania odlewów ze stopów na bazie cyny, ołowiu, cynku, antymonu (o stosunkowo niskiej temperaturze topienia) wyrobów galanteryjnych o masie nieprzekraczającej na ogół 0,1 kg w formach wykonanych z kauczuku silikonowego, a także do odlewania metali wyżej topliwych w formach wytwarzanych metodą wytapianego modelu, np. biżuterii. Metoda ta pozwala na zmiany stanu skupienia metalu (faza ciekła faza stała) w warunkach ciągłego działania ciśnienia odśrodkowego na fazę ciekłą, aż do jej całkowitego przejścia w fazę stałą. W Zakładzie Inżynierii Materiałów Okrętowych Akademii Morskiej w Szczecinie podjęto próby wykonania tą metodą jednostkowych odlewów o masie do 5 kg ze stopu (intermetalu) Fe-Al30 [3, 4]. Na stanowisku do odlewania (rys. 1) umożliwiającym osiąganie (dla tego stopu) ciśnienia równego 5 MPa wykonano serię odlewów o zróżnicowanym kształcie w różnych formach odlewniczych. Temperatura zalewania form wynosiła 1600 C. Ze względu na przyjęte założenie jednostkowego wykonywania odlewów wykluczono stosowanie form metalowych jako zbyt kosztownych.

3 Wpływ materiału formy wypełnianej pod ciśnieniem 35 Siła, N 8000,0 7000,0 6000,0 5000,0 4000,0 3000,0 2000,0 1000,0 0, Obroty, 1/min a) b) Rys. 1. Odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym stopów Fe-Al; a) stanowisko odlewnicze, b) zmiana siły odśrodkowej w funkcji prędkości obrotowej Fig. 1. Centrifugal casting of Fe-Al alloys Rys. 2. Zróżnicowane kształty odlewów ze stopu Fe-Al 30 wykonywanych w warunkach ciśnienia odśrodkowego Fig. 2. Varied shapes of Fe-Al 30 centrifugal castings Odlewy wykonywano w zróżnicowanych warunkach technologicznych (temperatura formy, ciśnienie oraz różne rodzaje form). Do prób użyto klasycznych form piaskowych wykonanych w zmodyfikowanych skrzynkach formierskich oraz form grafitowych. Przykładowe odlewy kształtowe o masie do 5 kg przedstawiono na rys. 2. Celem wstępnych prób i badań było określenie podstawowych cech warstwy wierzchniej, zarówno jej mikrogeometrii jak i budowy, ukształtowanych przez materiał formy odlewniczej. Może to być podstawą wskazania optymalnego rodzaju i budowy formy odlewniczej, a także doboru parametrów technologicznych procesu odlewania pod ciśnieniem odśrodkowym stopów Fe-Al. 2. STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI ODLEWÓW Tworzenie warstwy wierzchniej odlewów jest determinowane przez czynniki związane z ciekłym metalem (skład chemiczny stopu, napięcie powierzchniowe,

4 36 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski temperatura zalewania, gęstość stopu, właściwości termofizyczne stopu), z formą (skład masy formierskiej, wielkość ziarna osnowy piaskowej, twardość formy, właściwości termofizyczne masy formierskiej, kształt i wymiary formy odlewniczej), z ciężarem i grubością odlewu, a także z procesami fizycznymi i reakcjami chemicznymi na granicznej powierzchni metal forma. Penetracja ciekłego metalu w przestrzenie międzyziarnowe (pory) formy ceramicznej (piaskowej) zależy od sumy ciśnień działających na powierzchnie graniczne ciekły metal atmosfera oraz ciekły metal forma ceramiczna [12]: P g + P me + P zw + P k = 0, (1) gdzie: P g ciśnienie gazów w porach formy, P me ciśnienie słupa metalu w formie, P zw zewnętrzne ciśnienie wywierane na ciekły metal w formie, P k ciśnienie kapilarne. Wartość ciśnienia kapilarnego P k w przybliżeniu jest równa [12]: 2σ cosγ, (2) r gdzie: σ napięcie powierzchniowe metalu, γ skrajny równoważny kąt zwilżania formy ceramicznej przez metal, r promień kapilarny (pora) na powierzchni formy. Na powierzchni rozdziału ciekły metal faza gazowa w porach masy formierskiej istnieje równowaga między ciśnieniem kapilarnym a pozostałymi wartościami ciśnienia, zgodnie z zależnością (1). Ważna jest tu wartość ciśnienia kapilarnego, od którego przede wszystkim zależy wnikanie metalu w pory formy, a po przejściu metalu w fazę stałą geometryczna powierzchnia odlewu. W rzeczywistych warunkach wykonywania odlewu należy uwzględnić także inne czynniki warunkujące powstawanie fazy stałej krzepnięcie odlewu od powierzchni determinowanej formą odlewniczą. Ważny jest tutaj moment rozpoczęcia procesu krystalizacji, na który mają wpływ: temperatura ciekłego metalu, temperatura jego krzepnięcia, temperatura formy odlewniczej oraz cały kompleks innych czynników związanych z odbiorem ciepła z metalu poprzez formę odlewniczą i otoczenie. Przykładowo, w układzie długo utrzymującym metal w stanie ciekłym (odlew ze stopu Wooda, temperatura metalu 100 C, temperatura krzepnięcia 63 C, temperatura formy piaskowej 20 C) w warunkach odlewania przy wartości ciśnienia zewnętrznego P zw = 5 MPa dochodziło do penetracji metalu w głąb formy piaskowej na głębokość 40 mm. Powierzchnia odlewów ma określoną strukturę geometryczną jest chropowata. Jest to klasyfikowane jako wada odlewu D121, czyli chropowatość. Upraszczając można stwierdzić, że głębokość tej chropowatości związana jest z wymiarami ziaren masy formierskiej. Jeżeli ciekły metal dostanie się pomiędzy

5 Wpływ materiału formy wypełnianej pod ciśnieniem 37 te ziarna, tzn. dojdzie do przekroczenia wartości krytycznej ciśnienia penetracji, to powstanie wada odlewnicza D122, zwana penetracją. Strukturą geometryczną powierzchni odlewu jest zbiór wszystkich nierówności powstałych w wyniku procesu tworzenia się warstwy wierzchniej (wykonywania odlewu). Wyróżnić można jej składowe: chropowatość powierzchni, falistość powierzchni i odchyłki kształtu. Podstawą tego podziału jest proporcja długości i wysokości fali nierówności. Dzięki cyfrowej obróbce sygnału w stosowanych obecnie urządzeniach do badania struktury geometrycznej powierzchni [5, 7, 9 11] możliwe jest oddzielne wyznaczenie składowych dla profilu pierwotnego (P), falistości powierzchni (W), profilu chropowatości (R) oraz profilu chropowatości naniesionego na falistość (K). W celu kompleksowego opisu struktury geometrycznej powierzchni stosuje się wiele parametrów wysokościowych i wzdłużnych oraz funkcji (krzywą gęstości amplitudowej, krzywą udziału materiału, funkcję gęstości widmowej). Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono wygląd oraz opis profilu powierzchni odlewu wykonanego w formie piaskowej przy ciśnieniu 5 MPa. Profil pierwotny określano na profilografie Hommelwerke z cyfrową obróbką obrazu. Zmniejszenie ciśnienia odśrodkowego do wartości 1 MPa powoduje istotną poprawę mikrogeometrii odlewu. Przedstawiono to na rys Rys. 3. Makro- i mikrostruktura powierzchni odlewu wykonanego w formie piaskowej przy ciśnieniu 5 MPa Fig. 3. Surface of a casting made in a sand mould under 5 MPa pressure

6 38 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski Rys. 4. Przykładowy opis profilu powierzchni odlewu; próbka nr 2 forma piaskowa, ciśnienie 5 MPa, temperatura metalu 1600 C, temperatura formy 300 C Fig. 4. Description of a casting surface profile. Specimen no 2 sand mould (pressure 5 MPa, metal temp C, mould temp. 300 C) Użycie form grafitowych jeszcze bardziej poprawia mikrogeometrię powierzchni odlewu ze stopu Fe-Al, co przestawiono na rys. 6 i 7. Dodatkowe dogładzanie przez szlifowanie papierem ściernym powierzchni formy grafitowej zmienia niektóre parametry opisujące geometrię powierzchni odlewu (rys. 8), a przede wszystkim zmniejsza falistość.

7 Wpływ materiału formy wypełnianej pod ciśnieniem 39 Rys. 5. Przykładowy opis profilu powierzchni odlewu; próbka nr 1 forma piaskowa, ciśnienie 1 MPa, temperatura metalu 1600 C, tempeatura formy 300 C Fig. 5. Description of a casting surface profile. Specimen no 1 sand mould (pressure 1 MPa, metal temp C, mould temp C) 2 Rys. 6. Makro- i mikrostruktura powierzchni odlewu wykonanego w formie grafitowej przy ciśnieniu 5 MPa Fig. 6. Surface of a casting made in a graphite mould under pressure of 5 MPa

8 40 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski Rys. 7. Przykładowy opis profilu powierzchni odlewu; próbka nr 3 forma grafitowa, ślady frezowania, ciśnienie 5 MPa, temperatura metalu 1600 C, temperatura formy 20 C Fig. 7. Description of a casting surface profile. Specimen no 3 graphite mould traces of milling (pressure 5 MPa, metal temp C, mould temp. 20 C)

9 Wpływ materiału formy wypełnianej pod ciśnieniem 41 Rys. 8. Przykładowy opis profilu powierzchni odlewu; próbka nr 4 forma grafitowa, dogładzana; ciśnienie 5 MPa, temperatura metalu 1600 C, temperatura formy 20 C Fig. 8. Description of a casting surface profile. Specimen no 4 graphite mould superfisnished (pressure 5 MPa, metal temp C, mould temp. 20 C) Zmiany zasadniczego parametru, jakim jest chropowatość Ra, w zależności od struktury powierzchni odlewów wykonanych w różnych formach i zróżnicowanych parametrów technologicznych przestawiono na rys. 9.

10 42 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski R a [μm] ,2 3,8 3,9 0 a b c d Rys. 9. Chropowatość powierzchni Ra odlewów w zależności od wartości ciśnienia odśrodkowego i rodzaju formy odlewniczej: a) forma piaskowa ciśnienie 5 MPa, b) forma piaskowa ciśnienie 1 MPa, c) forma grafitowa ciśnienie 5 MPa, d) forma grafitowa (dogładzana) ciśnienie 5 MPa Fig. 9. Surface roughness Ra of castings for various types of casting moulds: a) sand mould pressure 5 MPa, b) sand mould pressure 1 MPa, c) graphite mould pressure 5 MPa, d) graphite mould (superfinished) pressure 5 MPa 3. WPŁYW RODZAJU FORMY ODLEWNICZEJ NA BUDOWĘ WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWU Oprócz wpływu formy na strukturę geometryczną powierzchni odlewów postanowiono sprawdzić, czy w warstwie wierzchniej nie występują wtrącenia materiału formy oraz czy forma węglowa nie powoduje nadmiernego wzrostu zawartości węgla w tej warstwie. Badania wykonano na przekrojach prostopadłych do powierzchni próbek wyciętych z badanych odlewów, wykorzystując elektronowy mikroskop skaningowy firmy JEOL JSM 6100 ze współpracującym analizatorem rentgenowskim DX4-EDAX. Powiększenie dobierano indywidualnie. Na rysunku 10 przedstawiono warstwę wierzchnią odlewu wykonanego w formie piaskowej pod ciśnieniem 1 MPa. Można zauważyć zaimplantowanie ziaren pochodzących z formy piaskowej do warstwy przypowierzchniowej odlewu. Na rysunku 11 przedstawiono warstwę wierzchnią próbki wyciętej z odlewu wykonanego w formie grafitowej pod ciśnieniem 5 MPa. W przypadku odlewów wykonanych w formie grafitowej sprawdzono możliwość wystąpienia nawęglenia warstwy wierzchniej. Wyniki badania zawartości węgla w punktach oznaczonych na rys. 11 przedstawiono w tablicy 1. Wskazują one, że dyfuzja węgla w głąb odlewu jest mało prawdopodobna ze względu na obecność fazy międzymetalicznej Fe 3 Al o małym współczynniku dyfuzji. Obecność węgla w warstwie wierzchniej rejestruje się do głębokości 4 μm.

11 Wpływ materiału formy wypełnianej pod ciśnieniem 43 Rys. 10. Warstwa wierzchnia odlewu wykonanego w formie piaskowej pod ciśnieniem 1 MPa Fig. 10. Surface layer of a casting made in a sand mould under pressure of 1 MPa Rys. 11. Warstwa wierzchnia odlewu wykonanego w formie grafitowej pod ciśnieniem 5 MPa Fig. 11. Surface layer of a casting made in a graphite mould under pressure of 5 MPa Tablica 1 Zawartość węgla w wybranych miejscach warstwy wierzchniej odlewu wykonanego w formie grafitowej Carbon content in selected places of the surface layer of a casting made in a graphite mould Punkt pomiaru według rys. 11 Odległość od powierzchni [μm] C [% wag.] 1 2 0, , , ,0 4. WNIOSKI Wstępne próby wykazały, że: 1) możliwe jest wykonywanie ze stopu Fe-Al30 elementów kształtowych metodą odlewania pod ciśnieniem odśrodkowym w formach odlewniczych zarówno trwałych (grafitowych), jak i nietrwałych (piaskowych); 2) w przypadku odlewów wykonywanych w formach piaskowych występuje wyraźne powiązanie chropowatości powierzchni z ciśnieniem odśrodkowym panującym w ciekłym metalu; po zmniejszeniu ciśnienia odśrodkowego z wartości 5 MPa do 1 MPa chropowatość powierzchni odlewu zmniejszyła się prawie dwukrotnie; 3) chropowatość powierzchni odlewów wykonanych w formach trwałych grafitowych jest niezależna od sposobu przygotowania powierzchni wnęki formy; 4) nawęglanie odlewów wykonywanych w formach grafitowych jest ograniczone do warstwy kilku mikrometrów.

12 44 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski LITERATURA [1] Bojar Z., Przetakiewicz W., Materiały metalowe z udziałem faz międzymetalicznych, Warszawa, Bel Studio [2] Falęcki Z., Zych J., Chropowatość powierzchni odlewów żeliwnych uzyskanych w klasycznej technologii możliwość jej obniżenia, in: III Konferencja Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań Kołobrzeg 1996, s [3] Grabian J., Dobór parametrów oraz wykonywanie elementów kształtowych metodą odlewania ciśnieniowego ze stopu Fe-Al. Sprawozdanie z pracy badawczej, Szczecin, Akademia Morska 2003 (niepublikowane). [4] Grabian J., Przetakiewicz W., Krystalizacja w warunkach ciśnienia odśrodkowego drogą do poprawienia jakości odlewów z intermetali Fe-Al, Archiwum Odlewnictwa, 2006, r. 6, nr 18(2/2), s [5] Haratym R., Mikrogeometria powierzchni wielowarstwowych form ceramicznych, in: VI Konferencja Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań Kołobrzeg 2004, s [6] Jasionowski R., Badanie odporności na zużycie kawitacyjne stopów intermetalicznych z układu Fe-Al., in: IV Międzynarodowa Sesja Naukowa Nowe technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej, Częstochowa 2003, s [7] Jopkiewicz A., Rożniatowski K., Wojtatowicz T., Laserowe badania chropowatości powierzchni odlewów, in: III Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Wpływ technologii na stan warstwy wierzchniej WW 96, Gorzów Wielkopolski 1996, s [8] Niedźwiedzki Z., Analiza wnikania ciekłego żeliwa w pory formy piaskowej i wielkości chropowatości, in: III Konferencja Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań Kołobrzeg [9] PN-ISO 4287:1999 Struktura geometryczna powierzchni. Metoda profilowa. [10] PN-85/H Odlewy. Chropowatość powierzchni surowych. [11] PN-EN 1370:2001 Odlewnictwo Badanie chropowatości powierzchni za pomocą wzorców wzrokowo-dotykowych. [12] Szweycer M., Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Kraków, Wyd. Instytutu Odlewnictwa Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. Włodzimierz Waligóra AN ATTEMPT TO DETERMINE THE SURFACE GEOMETRY AND SURFACE LAYER STRUCTURE OF Fe-Al30 INTERMETALLIC CENTRIFUGALLY CAST ELEMENTS S u m m a r y Properties of alloys containing intermetallic phases (type Fe-Al30 intermetals) make it possible to use these alloys in a corrosive environment or one that facilitates cavitation erosion. Due to the fact that castings of these alloys are very susceptible to discontinuities connected with shrinkage phenomena, attempts were made to cast these alloys applying centrifugal pressure. The castings were made at a special casting test bed with a vertical rotation axis in which the pressure up to 5 MPa could be applied to a casting with 5.5 g/cm 3 density. The research aimed at producing single castings of mass up to 5 kg. The test castings were made in sand moulds with the use of

13 Wpływ materiału formy wypełnianej pod ciśnieniem 45 moulding boxes of special construction as well as in graphite moulds. The casting surfaces were assessed in terms of geometrical structure using Hommelwerke-made computer-based device, in which application of proper filters allows to obtain reliable data describing the structure. Properties of the surface layer of unprocessed castings were defined. The X-ray microanalysis carried out in the area of the surface layer provided a basis to examine the effect of casting moulds used on the structure of this layer. It has been proved that the phase Fe 3 Al has such properties that it protects castings made in graphite moulds from carburizing. The research provides grounds for further attempts towards the optimization of the process of producing single castings of Fe-Al30 alloy using the centrifugal pressure process. Key words: Fe-Al intermetalls, centrifugal casting, surface layer, surface geometric structure

14 46 J. Grabian, K. Gawdzińska, W. Przetakiewicz, J. Wysocki, K. Nozdrzykowski