SKURCZ TERMICZNY ŻELIWA CHROMOWEGO

Transkrypt

1 48/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN SKURCZ TERMICZNY ŻELIWA CHROMOWEGO S. JURA 1, A. STUDNICKI 2, J. KILARSKI 3, Z. JURA 4 Katedra Odlewnictwa Politechniki Śląskiej GLIWICE ul. Towarowa 7 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badania żeliwa chromowego (C=1,84%, Cr=17,91%) na dylatometrze odlewniczym. Określony tą metodą współczynnik skurczu termicznego odlewów wskazuje na niebezpieczne zmiany jego wielkości, wywołujące pęknięcia odlewów. Z wykresów zmian współczynnika skurczu można również wywnioskować o fazach powstających w zakresie temperatur likwidus i solidus. Keywords: white cast iron, cast thermal shrinkage, foundry dilatometer. 1. WPROWADZENIE Zmiana wymiarów ciała stałego pod wpływem zmian temperatury jest zjawiskiem powszechnie znanym. Znajomość tego faktu jest ogólna i dotyczy pewnego zakresu temperatur. Skurcz i rozszerzalność ciał wykorzystywana jest w wielu użytecznych urządzeniach, regulatorach i wyłącznikach. W inżynierii materiałowej zmiany współczynnika skurczu (rozszerzalności) wskazują na wiele istotnych przemian fazowych, określając ich temperatury. Tak więc fazy krystaliczne, tj. sposób ułożenia atomów względem siebie tworzące odpowiednią sieć krystaliczną oraz ruch oscylacyjny atomów decydują o rozszerzalności ciał. Zmiana temperatury powoduje zmianę energii cieplnej ciała, która magazynuje się w ruchu drgającym atomów. Szeroki zakres zmian częstotliwości drgań powoduje stan drgań nieharmonicznych, co prowadzi do zmian objętości ciała a więc zmian wymiarów ciała [1,2]. 1 prof. dr hab. inż., sekrmt3@zeus.polsl.gliwice.pl 2 dr inż., ajstud@zeus.polsl.gliwice.pl 3 dr inż., sekrmt3@zeus.polsl.gliwice.pl 4 dr inż., zjura@pik-net.pl

2 371 W procesie wytwarzania odlewów przyjmuje się tzw. skurcz odlewniczy. Określa on sumaryczną zmianę wymiarów od stanu ciekłego do temperatury otoczenia. Znajomość wielkości tego skurczu jest wystarczająca do wytworzenia odlewów o określonych (wymaganych) wymiarach. Oczywistym jest, że dla każdego stopu skurcz ten może być inny, zależny od składu chemicznego i powstających faz w stopie. Szczególnym stopem jest żeliwo, które w przypadku składu chemicznego nadeutektycznego w pewnym zakresie temperatur (TL-TS) może nawet zwiększać swoją objętość, dzięki wydzieleniom grafitu [3,4]. Współczesna technika budowy maszyn wymaga coraz wyższej jakości odlewów o bardzo stabilnych właściwościach. Dlatego znajomość wielu cech fizycznych stopów i odlewów jest niezbędnie konieczna. Potrzeba ta wzrasta obecnie ze względu na możliwość symulacji komputerowych procesów odlewania. To wykorzystanie symulacji czyli odlewania na zimno jest tym bliższe prawdy im współczynniki fizyczne wykorzystywane do obliczeń są bliższe rzeczywistym wielkościom. Do symulacji komputerowej odlewania niezbędne są współczynniki termofizyczne, pozwalające opisać pole temperatur w stygnącym odlewie. Dla określenia stanu naprężeń i prawdopodobnych pęknięć niezbędnym jest znajomość współczynnika skurczu termicznego stopu. Szczególnie istotna jest znajomość współczynnika skurczu w temperaturach krytycznych, tj. temperaturach krystalizacji i przemian fazowych stopu. W temperaturach tych następuje nagła (skokowa) zmiana skurczu, co może powodować pęknięcia odlewów. 2. SKURCZ TERMICZNY ŻELIWA CHROMOWEGO Typowy dylatometr jest urządzeniem mierzącym zmiany długości próbki, tylko w stanie stałym. W technologii odlewnictwa ważny jest skurcz w całym zakresie temperatur od temperatury likwidus do temperatury otoczenia. Dla zbadania tego skurczu zbudowano w Katedrze Odlewnictwa specjalny dylatometr odlewniczy DO- 01/P.Sl [5]. Formę pomiarową wypełnia się ciekłym metalem, który obejmuje końcówki pomiarowe. Pomiar rozpoczyna się od stanu ciekłego. Równocześnie dokonuje się pomiaru temperatury próbki. Początkowy okres pomiarowy od temperatury zalania (TZ) do temperatury likwidus (TL) należy uznać za okres stabilizacji czynników przemieszczeń. Pomiaru temperatury dokonuje się w czasie całego pomiaru skurczu. Natomiast na rys.1 przedstawiono wyniki pomiaru temperatury w czasie do 330 [sec] czasu pomiaru oraz jej pochodną, tj. krzywą krystalizacji. Pomiar ten służy do dokładnego wyznaczania temperatury zalewania, temperatury likwidus i temperatury solidus.

3 TZ 0, ,5 temperatura [ o C] TL TS dt dt -1-1,5-2 -2,5 dt/dt [K/s] T -3, ,5 czas [s] Rys. 1. Wykres analizy termicznej i derywacyjnej (ATD) żeliwa chromowego (C=1,86% Cr=17,91%) Fig. 1. Diagram of thermal and derivative analysis (TDA) chromium cast iron (C=1,86% Cr=17,91%) Na rys.2 przedstawiono wykres skurczu względnego ε[%] żeliwa w całym przedziale temperatur. W zakresie temperatur krzepnięcia obserwuje się uskoki skurczu względnego, co świadczy o przemianach fazowych. Ogólnie można powiedzieć, że skurcz względny dla badanego żeliwa wynosi: ε = 2,3%. (1) Znajomość tej wielkości wystarczy do przygotowania modeli i form dla wykonania odlewu

4 373 3,00 ε ο 2,50 2,00 1,50 1,00 skurcz względny ε [%] 0,50 0, TZ TL TS temperatura [ C] Rys.2. Wykres skurczu termicznego względnego żeliwa w zależności od temperatury. Fig. 2. Diagram of thermal shrinkage versus temperature. Znacznie więcej informacji uzyskuje się obliczając współczynnik skurczu, którego formuła przedstawia się następująco: L α = L0 T (2) gdzie: L 0 początkowa długość próbki, L zmiana długości próbki, T zmiana temperatury próbki Przetworzone dane pomiarowe skurczu według tego wzoru przedstawiono na rys. 3.

5 374 60,0E-6 50,0E-6 40,0E-6 30,0E-6 20,0E-6 α ο 10,0E-6 współczynnik skurczu α [1/K] 000,0E TZ 1400 TL TS temperatura [ C] Rys. 3. Wykres wielkości współczynnika skurczu cieplnego żeliwa chromowego. Fig. 3. Diagram of shrinkage thermal coefficient for chromium cast iron ,0E-6 Na krzywej, opisującej zmiany współczynnika skurczu zaznaczono charakterystyczne temperatury TZ,TL i TS. W temperaturze likwidus próbka podlega silnemu skurczowi (ok. 30*10-6 [1/K], by potem zmaleć trzykrotnie. Największe zmiany współczynnika skurczu pojawiają się w temperaturze solidus (TS). Wielkość tego współczynnika skurczu trzykrotnie przekracza ten współczynnik dla żeliwa w stanie stałym. Między temperaturą likwidus a temperaturą solidus pojawia się niewielki pik, świadczący o krystalizacji prawdopodobnie węglików. Analizując cały przebieg zmian współczynnika skurczu, należy zauważyć przemianę eutektoidalną w temperaturze około 720 C. Natomiast pierwsze dwa piki na wykresie rozszerzenie a następnie skurcz, są prawdopodobnie wynikiem stabilizacji położenia czujników przemieszczenia. Na podstawie wykresu zmian współczynnika skurczu należy stwierdzić, że w procesie krystalizacji w zakresie temperatur TL-TS istnieje wielkie niebezpieczeństwo pękania odlewów. W praktyce odlewniczej obserwuje się często tzw. pęknięcia na gorąco. Na przełomie takiego pęknięcia obserwuje się powierzchnie postrzępione (nierówne) czasami z widocznymi dendrytami. 0

6 WNIOSKI Przedstawione wyniki badań wskazują na bardzo niebezpieczne zmiany współczynnika skurczu termicznego. Pęknięcia odlewów najczęściej pojawiają się w miejscach przegrzania (w węzłach cieplnych), ponieważ długi czas stygnięcia odlewu będzie sprzyjał takim pęknięciom. Zastosowanie do badań dylatometru odlewniczego pozwala ocenić problemy technologiczne i konstrukcje odlewu i na tej podstawie je zmienić. Zastosowanie symulacji komputerowej w zakresie procesów cieplnych i stanu naprężeń z wykorzystaniem rzeczywistego współczynnika skurczu termicznego pozwala na opracowanie lepszej, niezawodnej technologii wytwarzania odlewów. LITERATURA [1] J. Frenkel: Wstęp do teorii metali PWN Warszawa [2] B.B. Gulajev: Teorija litiejnych prociesow. Izd. Maszinostrojenije. Leningrad [3] C. Podrzucki: Żeliwo. Wyd. STOP, Kraków [4] J. Braszczyński: Krystalizacja stopów. WNT Warszawa [5] A. Studnicki, S. Jura, J. Kilarski: Badania żeliwa chromowego na dylatometrze odlewniczym. Krzepnięcie Metali i Stopów nr PAN Katowice. SUMMARY THERMAL SHRINKAGE OF CHROMIUM CAST IRON In this elaboration we present the results of chromium cast iron s investigations (Cr=17,91%) by using foundry dilatometer. The shrinkage thermal coefficient of alloys defined by this method indicates dangerous changes of its size, which are the cause of alloys cracking. The diagram of shrinkage coefficient changes presents the phases changes in the range of likwidus and solidus temperature. Recenzował Prof. Józef Gawroński