OBRABIARKOWE ODLEWY DWUWARSTWOWE O WYSOKIEJ JAKOŚCI PROWADNIC

Transkrypt

1 Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN OBRABIARKOWE ODLEWY DWUWARSTWOWE O WYSOKIEJ JAKOŚCI PROWADNIC J. BRASZCZYŃSKI 1, T. WARCHALA 2, M. MITKO 3, S. SOIŃSKI 3, S. TOMCZYŃSKI 3. Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa Al. Armii Krajkowej 19 STRESZCZENIE W artykule omówiono możliwości podwyższenia jakości odlew korpusów obrabiarek, poprzez wykonywanie ich jako odlewów dwuwarstwowych. Roboczą warstwę prowadnic wykonuje się z żeliwa niskostopowego, a korpus z niestopowego żeliwa szarego. Określone w wyniku eksperymentów parametry technologiczne zapewniają wysoką jakość złącza i odlewu. Key words: two-layer castings, cast iron, machine frames 1. WPROWADZENIE Kadłub obrabiarki jest podstawowym elementem nośnym wiążącym w jedną całość poszczególne zespoły urządzenia i stanowi podstawę do rozmieszczenia tych elementów. Wynika stąd warunek niezmienności kształtu i wymiarów kadłubu w okresie eksploatacji obrabiarki. Spełnienie tego warunku osiąga się przez zapewnienie odpowiedniej sztywności. Ponadto wymagana jest duża odporność na ścieranie elementów najbardziej obciążonych, jakimi są prowadnice. Kadłuby obrabiarek najczęściej są odlewane z żeliwa szarego niestopowego, gatunku 250 lub 300, ze względu na możliwość wykonania odlewów o skomplikowanych kształtach oraz dużą zdolność tego tworzywa do tłumienia drgań. Zastosowanie odlewów żeliwnych wiąże się z relatywnie niskimi kosztami produkcji przedmiotów o tak 1 prof. zw. dr hab. inż. braszcz@mim.pcz.czest.pl, 2 doc. dr inż., 3 dr inż. 133

2 skomplikowanych kształtach, jakimi są kadłuby obrabiarek. W celu uzyskania dobrej odporności na ścieranie twardość prowadnic ślizgowych w stanie lanym nie powinna być mniejsza niż HB. Uzyskanie tak dużej twardości niestopowego żeliwa szarego wymaga zapewnienia struktury perlitycznej o dużej dyspersji oraz drobnych wydzieleń grafitu płatkowego o rozłożeniu równomiernym (IA4, względnie IA5 - wg PN-ISO 945). Warunek ten nie jest łatwy do spełnienia, gdyż żeliwo o takiej strukturze charakteryzuje się dużą wrażliwością na grubość ścianki, a prowadnice należą do najgrubszych elementów kadłubów obrabiarek. Może to spowodować wystąpienie w strefie prowadnic struktury perlityczno - ferrytycznej i dużych, grubo płatkowych wydzieleń grafitu. W wyniku tych zmian struktury obniża się twardość, a także następuje wykruszanie się grubych wydzieleń grafitu, co powoduje powstawanie przerw ciągłości na powierzchniach roboczych prowadnic. Niestopowe żeliwo szare nie zapewnia wysokiej jakości prowadnic szczególnie w masywnych i grubościennych odlewach kadłubów obrabiarek. 2. METODY PODWYŻSZANIA JAKOŚCI PROWADNIC Uzyskanie dobrej odporności na ścieranie następuje w przypadku uzyskania przez tworzywo twardości wyższej od 50 HRC. W celu zapewnienia odpowiedniej twardości można: przeprowadzić hartowanie powierzchniowe prowadnic, zastosować na cały kadłub obrabiarki żeliwo niskostopowe o dobrej hartowności, zarazem odporne na ścieranie adhezyjne, zastosować stalowe hartowane powierzchniowo nakładki stalowe na prowadnice. Uzyskane rezultaty są jednak niewspółmierne niskie do kosztów przeprowadzenia tych zabiegów. W przypadku hartowania powierzchniowego niestopowego żeliwa szarego nie uzyskuje się zadawalającej jakości prowadnic, ponieważ przeprowadzona obróbka cieplna nie eliminuje niebezpieczeństwa powstawania wykruszeń grubych wydzieleń grafitu. Zastosowanie żeliwa stopowego, o dobrej hartowności, na cały kadłub obrabiarki prowadzi do znacznego wzrostu kosztu odlewu. Występuje tu swoiste marnotrawstwo materiału, ponieważ wysokie właściwości przeciwcierne tworzywa wykorzystane są jedynie w obrębie prowadnic. Racjonalne może być użycie żeliwa niskostopowego na niewielkie korpusy obrabiarek. Należy zwrócić uwagę, że w przypadku żeliwa stopowego nie uzyskuje się tak znaczącej zdolności tłumienia drgań, jak ma to miejsce w odniesieniu do żeliwa szarego. Należy także podkreślić, że wprowadzenie dodatków stopowych do żeliwa powoduje na ogół pogorszenie właściwości odlewniczych (lejności, skurczu, skłonności do tworzenia jam skurczowych, naprężeń wewnętrznych). Z punktu widzenia korzystnego oddziaływania na odporność żeliwa na ścieranie oraz poprawy jego hartow- 134

3 ności celowe jest wprowadzenie takich dodatków stopowych jak nikiel, chrom, miedź, molibden pojedynczo lub w ich odpowiednim skojarzeniu [1-3]. Biorąc pod uwagę istotne wady i ograniczenia związane z wymienionymi sposobami poprawy jakości obrabiarek należy dążyć do takiej technologii korpusów obrabiarkowych, która zapewniałaby z jednej strony wysoką zdolność do tłumienia drgań, z drugiej zaś wysoką odporność na ścieranie i jakość powierzchni w strefie prowadnic. Optymalnym rozwiązaniem jest tutaj wykonanie - w jednym cyklu technologicznym - odlewu korpusu obrabiarkowego w przeważającej jego części z żeliwa szarego niestopowego i jedynie w części roboczej prowadnic z odpornego na ścieranie i o podwyższonej hartowności żeliwa niskostopowego. Z punktu widzenia technologii odlewniczej warstwę stopową można uzyskać poprzez odpowiednią preparację części wnęki formy pokryciem aktywnym [4] lub metodą odlewania warstwowego [5]. 3. TECHNOLOGIA ŻELIWNYCH ODLEWÓW DWUWARSTWOWCH W Katedrze Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej opracowano na skalę półprzemysłową technologię żeliwnego odlewu dwuwarstwowego [5]. W badaniach warstwę roboczą wykonywano m. in. z żeliwa niskostopowego miedziowo-chromowego o podwyższonej odporności na ścieranie [3], a resztę korpusu z żeliwa szarego gatunku 250. Poprawność technologii odlewu dwuwarstwowego można ocenić analizując: - rozkład pierwiastków stopowych w odlewie, - jakość połączenie żeliwa stopowego z żeliwem szarym, -wady wewnątrz odlewu. Dobrą jakość złącza uzyskuje się wtedy, gdy spadek udziału pierwiastków stopowych występuje na znacznej wysokości odlewu (duża strefa przejściowa pomiędzy żeliwem stopowym a niestopowym), co obniża naprężenia wewnętrzne. Podstawowy skład chemiczny żeliwa stopowego powinien być utrzymany w objętości roboczych prowadnic, gdyż rozcieńczenie żeliwa stopowego w tych obszarach świadczy o nieudanym zabiegu uszlachetnienia prowadnic. W całym odlewie, a szczególnie w złączu i w warstwie stopowej nie mogą występować wady w postaci pęcherzy gazowych i zażużleń. Wykonane odlewy doświadczalne wykazywały cechy korpusów obrabiarek, takie jak cienka ścianka korpusu, zgrubienie w dolnej części formy odpowiadające prowadnicy i wydłużony kształt. O jakości odlewu dwuwarstwowego decyduje szereg parametrów technologicznych i dlatego badania prowadzono w oparciu o statystyczny plan doświadczeń czynnikowych typu [5]. Ocena jakości otrzymanych odlewów obejmowała badania rozkładu pierwiastków stopowych (analiza chemiczna), jakości połączenie żeliwa stopowego z żeliwem szarym (mikrostruktura) oraz wad wewnętrznych (defektoskopia rentgenograficzna). Analiza uzyskanych wyników badań pozwoliła na stwierdzenie, że decydujący wpływ na jakość odlewu dwuwarstwowego ma rozkład pierwiastków stopowych na przekroju odlewu (rys. 1), co ujmuje kryterium K określone wzorem [5]: 135

4 K = K 1 - K 2 (1) przy czym K 1 = S 2 / S I (2) K 2 = S / (S I - S II ) (3) gdzie: S 2 - koncentracja składnika stopowego na głębokości warstwy kontrolnej 2 ( rys. 1) S I - koncentracja składnika w żeliwie stopowym, S II - koncentracja składnika w żeliwie niestopowym, S - różnica w koncentracji składnika w warstwach kontrolnych 4 i 5. Rys.1. Przekrój odlewu dwuwarstwowego z zaznaczonymi miejscami pobrania prób do analizy chemicznej, oraz zmiany stężenia pierwiastka stopowego w różnych typach połączeń. Fig. 1. Cross-section of the two-layer casting with marked places where samples for chemical analysis have been taken from, and the changes of concentration of the alloying element in various types of joints. 136

5 Uzyskane w wyniku wykonanych eksperymentów rodzaje połączeń można podzielić na trzy typy połączeń oznaczone jako A, B i C. Różniły się one charakterem zmiany stężenia pierwiastków stopowych w odlewie dwuwarstwowym. Złącze typu A charakteryzuje się bardzo ostrym przejściem z warstwy stopowej do tworzywa podstawowego. W złączu typu B występuje znacznie mniejsza różnica stężeń pierwiastków stopowych, a warstwa robocza nie jest zubożona w pierwiastki stopowe. W złącze typu C obserwuje się znaczne rozcieńczenie warstwy stopowej, co dyskwalifikuje tego typu połączenie ze względu na cechy użytkowe warstwy roboczej odlewu. Stwierdzono, że złącza typu A charakteryzują się kryterium K < 0,3, natomiast typu B kryterium K > 0,8. We wszystkich złączach o K < 0,3 na rentgenogramach widać wyraźny obraz linii złącza, natomiast przy K > 0,8 nie rozróżnienia się warstwy stopowej i niestopowej. Wady wewnętrzne (pęcherze) w strefie granicznej lub bezpośrednio na powierzchni styku warstw występują najczęściej w złączach typu A. Zadawalającą jakość odlewu dwuwarstwowego można uzyskać, gdy kryterium K jest większe od 0,5, co umożliwia otrzymanie odlewów z nierozcieńczoną warstwą roboczą, dobrym połączeniem warstw bez wad odlewniczych oraz mniejszymi odkształceniami spowodowanych naprężeniami wewnętrznymi. W wyniku przeprowadzenia doświadczeń, wg. planu czynnikowego typu 2 6-2, uzyskano następującą zależność pomiędzy kryterium K, a zmiennymi parametrami procesu technologicznego [5]: K = - 60, ,02194 T 1 + 0,00105 T 2 (q - 0,3527 H - 3,8951 C E ) + 0,02276 T 2 + 0,00018 T 2 ( - 8,6111 H - 263,8888 C E + - 0,8684 q - 0,0086 q (H + 10,1109 C E ) - 0, ,0039 (C E + 0,0272 H) + 0,6815 H + 12,1554 C E (4) Model ten ma złożoną postać na skutek występowania licznych współdziałań, co świadczy także o złożonym charakterze procesu wytwarzania odlewów dwuwarstwowych. Analizując otrzymany model (4) ze względu na maksymalizację kryterium K, można wnioskować, że otrzymaniu wysokiej jakości odlewu dwuwarstwowego sprzyja wysokie temperatury zalewania (T 1 i T 2 ) warstwy I (żeliwo stopowe) i warstwy II (żeliwo niestopowe), wydłużenie czasu ( ) przerwy pomiędzy zalewaniem I i II warstwy w połączeniu ze wzrostem temperatury zalewania warstwy II (T 2 ) oraz duża szybkość zalewania (q) warstwy II w połączeniu z wysoką temperaturą zalewania żeliwa stopowego (T 2 ). Wzrost ciśnienia metalostatycznego (H) w miejscu połączenia warstw oraz wzrost równoważnika węgla (C E ) w żeliwie niestopowym sprzyja wzrostowi kryterium K, jednak w połączeniu z wysokimi temperaturami zalewania warstwy I i II obniżają to kryterium. Biorąc pod uwagę złożoność relacji poszczególnych parametrów procesu należy tak go poprowadzić, aby uzyskując dobrą jakość złącza (duża wartość kryterium K) nie zatracić cech odlewu 137

6 dwuwarstwowego, to jest zróżnicowanej struktury i właściwości w poszczególnych warstwach. Zaproponowane bezwymiarowe kryterium K, przyjmujące wartości od 0 do 1, może być pomocne przy poszukiwaniu optymalnych właściwości (np.: fizycznych, mechanicznych, użytkowych) pod kątem których będzie dokonywana ocena, wykonywanego już w warunkach przemysłowych, odlewu jak i poszczególnych jego stref. 4. PODSUMOWANIE Zastosowanie nowych rozwiązań technologicznych w warunkach przemysłowych wymaga wcześniejszych badań w skali laboratoryjnej. Należy podkreślić, że w przypadku podwyższania właściwości odlewów żeliwnych na drodze jednoczesnego - tzn. w jednym cyklu technologicznym - wykonywania odlewów dwuwarstwowych w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej zgromadzono znaczące doświadczenia. Dają one podstawę do przyjęcia założeń, że wdrożenie do produkcji przemysłowej technologii odlewów dwuwarstwowych, w oparciu o dane wynikające z już zrealizowanych prac eksperymentalnych, nie będzie wymagało realizacji pracochłonnych badań o charakterze podstawowym, a jedynie badań w skali półtechnicznej, co znacznie obniży koszty wdrożenia. Umożliwi to stosunkowo szybkie wdrożenie do produkcji nowych metod wytwarzania nowoczesnych korpusów obrabiarek, o odpowiednio przygotowanych prowadnicach jako odlewów dwuwarstwowych. Należy dodać, że cały odlew winien być poddany odpowiedniej obróbce cieplnej, warstwy robocze prowadnic ponadto powierzchniowemu hartowaniu. LITERATURA [1] C. Podrzucki : Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. Tom I i II. Wyd. ZG STOP, Kraków (1991). [2] A. Gierak, L. Bajka: Żeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne. Wyd. Śląsk, Katowice (1976). [3] T. Warchala, B. Wierzbicka, Z. Piłkowski: Dobór tworzywa na warstwę roboczą dwuwarstwowego odlewu żeliwnego. Zesz. Nauk Pol. Śląskiej, 1975, Seria: Mechanika z. 54, s [4] W. Sakwa, Z. Pi³kowski: Erzeugung von körnigen Chromüberzügen an eisernen Gusstücken. 35. Internat. Giesserei Kongress, Kyoto 1968, ref. nr 17. [5] T. Warchala, B. Wierzbicka, Z. Piłkowski: Odlewy dwuwarstwowe z żeliwa. Mat. III Ogólnopolskiej Konf. Nauk Techn. nt. "Tendencje rozwojowe w technologii maszyn". III Sekcja Odlewnictwo i spawalnictwo, WSI Zielona Góra 1977, s

7 TWO-LAYER CASTINGS FOR METAL WORKING MACHINES WITH HIGH QUALITY OF WAYS ABSTRACT The paper deals with the possibilities of increasing the quality of metal working machine frames by producing them as the two-layer castings. The working layer of the ways is made of low-alloy cast iron, and the frame of plain cast iron. Technological parameters determined on the base of experiments ensure the high quality of the joint and the casting. Recenzował prof. dr hab. inż. Józef Gawroński 139