Odlewy bimetalowe z chromowo-nikolową warstwą roboczą

Transkrypt

1 A R C H I V E S of F O U N D R Y E N G I N E E R I N G Published quately as the oga of the Foudy Commissio of the Polish Academy of Scieces ISSN ( ) Volume 12 Special Issue 2/ /2 Odlewy bimetalowe z chomowo-ikolową wastwą oboczą T. Wóbel a, *, J. Szaja a, M. Cholewa a, P. Wóbel a, J. Suchoń a, S. Teeowicz b a Kateda Odlewictwa, Politechika Śląska, ul. Towaowa 7, Gliwice, Polska b Zakład Doświadczalo-Wdożeiowy Odlewictwa, ul. Mechaików 9, Gliwice, Polska *Kotakt koespodecyjy: tomasz.wobel@polsl.pl Otzymao ; zaakceptowao do duku Steszczeie W pac pzedstawioo techologię bimetaliczych odlewów wastwowych opatą a odlewiczej metodzie akładaia wastw bezpośedio w pocesie odlewaia tzw. metodę pepaowaia węki fomy. Wykoae tą metodą bimetalicze odlewy wastwowe złożoe są z dwóch zasadiczych elemetów tj. części ośej oaz części (wastwy) oboczej. Część ośą bimetaliczego odlewu wastwowego staowiło typowe twozywo odlewicze tj. staliwo iestopowe lub żeliwo szae z gafitem płatkowym, atomiast część oboczą staowiła stal stopowa austeitycza gatuku X2CNi 18-9 lub feytyczo-austeitycza gatuku X2CNiMoN Weyfikację wykoaych bimetaliczych odlewów wastwowych pzepowadzoo w opaciu o ieiszczące badaia ultadźwiękowe, badaia stuktuy oaz mikotwadości. Poadto wykoao symulację komputeową pocesu kzepięcia bimetaliczych odlewów wastwowych w pogamie NovaFlow&Solid. Słowa kluczowe: Bimetaliczy odlew wastwowy, Staliwo, Żeliwo, Stal, Chom, Nikiel 1. Wpowadzeie Techologia odlewów wastwowych zajduje zastosowaie wówczas gdy kyteium wysokich własości użytkowych dotyczy tylko oboczej wastwy wiezchiej odlewu, któego pozostała część pełi jedyie olę elemetu ośego ie aażoego a bezpośedie działaie czyików wywołujących p. zużycie koozyje lub ściee. Podstawową techologią odlewów wastwowych jest tzw. metoda pepaowaia węki fomy, w któej elemet uszlachetiający oboczą wastwę wiezchią odlewu umieszcza się w fomie, w postaci wkładki litej lub ziaistej bezpośedio pzed zalaiem ciekłym metalem [1 7]. Techologia ta jest ajbadziej ekoomiczym sposobem uszlachetiaia powiezchi odlewów, gdyż umożliwia wytwazaie elemetów wastwowych bezpośedio w pocesie ich odlewaia. W związku z tym może staowić istotą kokuecję dla powszechie stosowaych techologii apawaia i atyskiwaia cieplego [8], gdyż opócz zalet atuy ekoomiczej w odóżieiu od ich ie geeuje oa możliwości powstawaia pękięć w stefie wpływu ciepła, któa powstaje w ezultacie wykoywaia powłoki metodą spawaliczą. Idea popoowaej w pacy techologii bimetaliczych odlewów wastwowych została zaczepięta z istotej dla pzemysłu uobkowego metody wytwazaia stopowych wastw powiezchiowych a bazie wkładek ziaistych ze stopu Fe-C-C [1, 3 i 4], Fe-C-C-Mo [2] oaz Ni-C-Fe-C [7] umieszczaych w fomie bezpośedio pzed zalaiem ciekłym metalem. Uzyskae w te sposób obocze wastwy wiezchie chaakteyzują się wysoką twadością i odpoością a zużycie ściee główie typu metal-mieał. Poadto w liteatuze zajdują się dae dotyczące odlewów wastwowych wykoywaych a bazie wkładek litych p. ze stali iestopowej zalewaej ciekłym chomowym żeliwem stopowym A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 2 / ,

2 [5 i 6] lub z żeliwa szaego zauzaego w ciekłym podeutektyczym stopie Al-Si [9 11]. 2. Zakes badań W amach pacy wykoao bimetalicze odlewy wastwowe, któe złożoe są z dwóch zasadiczych elemetów tj. części ośej oaz części (wastwy) oboczej. Część ośą odlewu wastwowego staowiło typowe twozywo odlewicze tj. staliwo iestopowe lub żeliwo szae, atomiast część oboczą staowiła blacha ze stali stopowej austeityczej gatuku X2CNi 18-9 lub feytyczo-austeityczej gatuku X2CNiMoN W celu wykoaia póbych bimetaliczych odlewów wastwowych o wymiaach 125 x 105 x 45mm, w fomach piaskowych umieszczao ie stosując zabiegu podgzewaia wstępego blachy ze stali stopowych (Rys.1), któe astępie zalao ciekłym staliwem iestopowym lub żeliwem szaym z tempeatuy odpowiedio 1650 i 1450 C. a) Tempeatuę zalewaia miezoo pzy użyciu temopay Pt-PtRh10, atomiast skład chemiczy zastosowaych twozyw okeśloo pzy użyciu spektometu LECO GDS500A i aalizatoa LECO CS-125. W opaciu o wyiki wcześiejszych badań [12 i 13] zastosowao blachy stalowe o gubości 5mm, któych powiezchie będące w bezpośedim kotakcie z ciekłym metalem pokyto aktywatoem spzyjającym powstawaiu twałego połączeia pomiędzy oboma twozywami odlewu wastwowego. Uzyskao tym sposobem stosuek gubości części ośej do części oboczej 8:1 pzy module kzepięcia odlewu 11,45mm. Jakość uzyskaych bimetaliczych odlewów wastwowych oceiao a podstawie ieiszczących badań ultadźwiękowych, wykoaych pzy użyciu defektoskopu DIO 562 fimy STARMANS ELEKTRONICS. Następie wykoao badaia metalogaficze mikoskopowe pzy użyciu zaówo mikoskopu świetlego Niko jak i elektoowego skaigowego Ispekt F. Poadto wykoao pomiay mikotwadości pzy zastosowaiu twadościomieza FM 700 fimy Futue-Tech, a także pzepowadzoo symulację komputeową pocesu kzepięcia bimetaliczych odlewów wastwowych w pogamie NovaFlow&Solid. 3. Wyiki badań b) Rys. 1. Widok fomy z umieszczoą w jej węce blachą ze stali austeityczej (1): a dola połówka fom, b góa połówka fomy Na podstawie pzepowadzoych ieiszczących badań ultadźwiękowych stwiedzoo, że w pzypadku bimetaliczych odlewów wastwowych ze staliwą częścią ośą, istieje poblem z uzyskaiem twałego połączeia pomiędzy obiema częściami bimetalu a całej powiezchi ich styku. W związku z tym w odlewie o kofiguacji staliwa część ośa wastwa obocza ze stali X2CNi 18-9, występują obszay chaakteyzujące się pełym, częściowym (chaakteyzującym się obecością tzw. bimetaliczych mostków łączących, któe opisao w pacy [14]) oaz bakiem połączeia obu twozyw. Udział pocetowy wymieioych odzajów połączeia zależy pzy stałej tempeatuze zalewaia staliwa od óżicy w stężeiu węgla pomiędzy twozywem części ośej a wastwy oboczej, co szczegółowo pzedstawioo w pacach [15 i 16]. W związku z tym, z uwagi a zaczą óżicę w stężeiu węgla pomiędzy twozywami składowymi bimetalu, poblem baku ich połączeia ie dotyczy odlewów z żeliwą częścią ośą, gdyż a podstawie pzepowadzoych ieiszczących badań ultadźwiękowych stwiedzoo, że a całej badaej powiezchi tego typu bimetaliczych odlewów wastwowych (głowica pzyłożoa od stoy blachy) echo da było większe od echa stefy pzejścia, co wskazuje a uzyskaie twałego połączeia pomiędzy częścią (wastwą) oboczą a częścią ośą. Na ysukach 2 4 pzedstawioo mikostuktuy obszau połączeia stali stopowych chomowo-iklowych staowiących wastwę oboczą odlewu bimetalowego z staliwą lub żeliwą częścią ośą. Na ukształtowaie mikostuktuy obszau połączeia w tego typu bimetaliczych odlewach wastwowych wpływają pzede wszystkim zjawiska dyfuzji węgla w kieuku od części ośej do wastwy oboczej oaz agzaia blachy stalowej do wysokiej tempeatuy, któej źódłem jest ciekły metal (staliwo lub żeliwo) wlae do fomy. Dla tempeatuy 82 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 2 / ,

3 zalewaia żeliwa wyoszącej 1450 o C, tempeatua styku T s a gaicy ciekły metal blacha stalowa wyzaczoa w opaciu o zależość [17]: T s c T c c T c gdzie:, współczyik pzewodości cieplej odpowiedio dla ciekłego żeliwa lub staliwa (część ośa odlewu) i blachy stalowej (część obocza odlewu), W/(m K), c, c ciepło właściwe odpowiedio dla ciekłego żeliwa lub staliwa (część ośa odlewu) i blachy stalowej (część obocza odlewu), J/(kg K),, cięża właściwy odpowiedio dla ciekłego żeliwa lub staliwa (część ośa odlewu) i blachy stalowej (część obocza odlewu), kg/m 3, T tempeatua ciekłego żeliwa lub staliwa (część ośa odlewu), C, T tempeatua blachy stalowej (część obocza odlewu), C, wyosi odpowiedio dla blachy ze stali X2CNi 18-9 około 950 C oaz dla blachy ze stali X2CNiMoN około 940 C. Natomiast dla tempeatuy zalewaia staliwa wyoszącej 1650 o C, tempeatua styku T s a gaicy ciekły metal blacha stalowa X2CNi 18-9 wyzaczoa także w opaciu o zależość (1) wyosi około 1100 C. Poadto a podstawie wyików symulacji komputeowej pocesu kzepięcia bimetaliczych odlewów (1) wastwowych stwiedzoo, że po upływie około 100s od mometu zalaia węki fomy ciekłym żeliwem lub staliwem tempeatua agzaia blachy ze stali X2CNi 18-9 osiąga swoją watość maksymalą tz. odpowiedio około 1250 i 1450 C (Rys. 5). W wyiku tego w pzypadku odlewów ze staliwą częścią ośą utwozoa zostaje pelitycza stefa pzejściowa ( ) o twadości 230 μhv, któa łączy stal austeityczą ze staliwem feytyczo-pelityczym (Rys.2). Poadto w obszaze pzygaiczym odwęgleiu ulega staliwo, co objawia się osącym udziałem feytu w stosuku do pelitu w kieuku do gaicy połączeia obu twozyw. Dodatkowo astępuje awęgleie pzygaiczego obszau blachy ze stali stopowej X2CNi 18-9 i utwozeie w tej stefie mikostuktuy matezytu o twadości około 380 HV. Obok awęgleia tego pzygaiczego obszau stali X2CNi 18-9, powstaiu matezytu spzyja ówież chłodzeie z wysokiej tempeatuy do jakiej agzaa jest blacha. Natomiast w pzypadku odlewów wykoaych w kofiguacji mateiałowej wastwa obocza ze stali stopowej austeityczej X2CNi 18-9 (Rys.3) lub feytyczo-austeityczej X2CNiMoN (Rys.4) - część ośa z żeliwa szaego pelityczego, w obszaze połączeia obu twozyw powstaje od sto stali tz. stefy awęgloej mikostuktua składająca się z węglików C i Fe w osowie feytyczo-austeityczej w pzypadku piewszym lub w osowie pelityczej w pzypadku dugim. Z kolei od stoy żeliwa tz. stefy odwęgloej ukształtowaa zostaje mikostuktua pelitycza bez gafitu. Rys. 2. Mikostuktua bimetaliczego odlewu wastwowego w kofiguacji część (wastwa) obocza z blachy ze stali stopowej X2CNi 18-9 część ośa ze staliwa iestopowego A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 2 / ,

4 Rys. 3. Mikostuktua bimetaliczego odlewu wastwowego w kofiguacji część (wastwa) obocza z blachy ze stali stopowej X2CNi 18-9 część ośa z żeliwa szaego Rys. 4. Mikostuktua bimetaliczego odlewu wastwowego w kofiguacji część (wastwa) obocza z blachy ze stali stopowej X2CNiMoN część ośa z żeliwa szaego 84 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 2 / ,

5 Staliwo iestopowe - Stal stopowa X2CNi 18-9 Żeliwo szae - Stal stopowa X2CNi T s, 0 C Czas, s Rys. 5. Chaakteystyka zmia w czasie tempeatuy styku T s w geometyczym śodku blachy stalowej w bimetaliczym odlewie wastwowym w kofiguacji część ośa ze staliwa iestopowego lub żeliwa szaego wastwa obocza ze stali stopowej X2CNi Podsumowaie Techologia odlewicza opata a metodzie pepaowaia węki fomy pozwala a otzymaie bimetaliczych odlewów wastwowych w kofiguacji: część ośa z żeliwa szaego pelityczego część (wastwa) obocza ze stali stopowej chomowo-iklowej austeityczej lub duplex feytyczoausteityczej, wolych od wad szczególie w ewalgiczym obszaze połączeia obu twozyw. Natomiast w pzypadku bimetaliczych odlewów wastwowych ze staliwą częścią ośą, uzyskaie twałego połączeia pomiędzy obiema częściami wymaga zapewieia właściwej pzy okeśloym module kzepięcia oaz tempeatuze zalewaia, óżicy w stężeiu węgla pomiędzy twozywem części ośej a wastwy oboczej. Pzewiduje się, że wykoae wg opacowaej techologii bimetalicze odlewy wastwowe mogą pacować w waukach wymagających od oboczej wastwy wiezchiej elemetu, wysokiej żaoodpoości i/lub odpoości a koozję w śodowisku p. wody pzemysłowej. Poadto w pzypadku zastosowaia a część (wastwę) oboczą stali chomowoiklowej austeityczej, możliwe jest uzyskaie także wysokiej odpoości a zużycie ściee, któa jest wyikiem wzostu twadości austeitu z około 200HV do około 400HV. Tego typu wzost twadości, astępujący w waukach eksploatacji jest osiągięty popzez idukowaą odkształceiem plastyczym pzemiaę matezytyczą γ α [13 i 18]. W związku z tym w opaciu o opacowae wytycze do pzedstawioej metody wykoao techologiczie użyteczą bimetaliczą tuleję w kofiguacji wewętza część (wastwa) obocza ze stali stopowej X2CNi 18-9 zewętza część ośa ze staliwa iestopowego (Rys. 6), pzezaczoą do zastosowaia w kostukcji kombaju góiczego. Rys. 6. Widok bimetaliczej tulei w kofiguacji: 1 - wewętza część (wastwa) obocza ze stali stopowej X2CNi 18-9, 2 - zewętza część ośa ze staliwa iestopowego Ifomacja dodatkowa Paca aukowa fiasowaa ze śodków budżetowych a aukę w latach jako pojekt badawczy N N A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 2 / ,

6 Liteatua [1] Macikowska J. & Kuszi B. (1979). Cast coatigs o machie elemets. I Scietific Cofeece Cast Fom of Machie Elemets, (pp. 1-11). Olszty Polad. (i Polish). [2] Heijkoop T. & Sae I. (1989). Cast-bodig a ew pocess fo maufactuig composite wea poducts. Cast Metals. 3, [3] Gawoński J., Szaja J. & Wóbel P. (2004). Study o theoetical bases of eceivig composite alloy layes o suface of cast steel castigs. Joual of Mateials Pocessig Techology , [4] Szaja J., Wóbel P. & Wóbel T. (2008). Model castigs with composite suface laye applicatio. Achives of Foudy Egieeig. 8 (SI3), [5] Batocha D., Suchoń J. & Jua S. (1998). Laye castigs. Solidificatio of Metals ad Alloys. 38, (i Polish). [6] Cholewa M., Teeowicz S. & Wóbel T. (2008). Quality of the joit betwee cast steel ad cast io i bimetallic castigs. Achives of Foudy Egieeig. 8 (3), [7] Wóbel T. (2011). Ni ad C base layes i bimetallic castigs. I 20 th Aivesay Iteatioal Cofeece o Metallugy ad Mateials METAL 2011 (pp. 91). Bo Czech Republic. [8] Klimpel A. (2000). Sufacig ad themal spayig. Techologies. Waszawa: WNT. (i Polish). [9] Viala J., Peoet M., Babeau F., Bosselet F. & Bouix J. (2002). Iteface chemisty i alumiium alloy castigs eifoced with io base isets. Composites: Pat A. 33, [10] Pietowski S. & Szymczak T. (2007). Model of the alphiisig coatig cystallizatio o io alloys. Achives of Foudy Egieeig. 7 (3), [11] Pietowski S. (2001). Stuctue of alifiisig laye o the gay cast io. Achives of Foudy. 4 (11), [12] Cholewa M., Wóbel T. & Teeowicz S. (2010). Bimetallic laye castigs. Joual of Achievemets i Mateials ad Maufactuig Egieeig. 43/1, [13] Cholewa M., Wóbel T., Teeowicz S. & Szute T. (2010). Diffusio pheomea betwee alloy steel ad gay cast io i layeed bimetallic castig. Achives of Metallugy ad Mateials. 55 (3), [14] Wóbel T., Cholewa M. & Teeowicz S. (2011). Bimetallic layeed castigs alloy steel cabo cast steel. Achives of Foudy Egieeig. 11 (1), [15] Wóbel T. (2012). The quality of the joit betwee alloy steel ad ualloyed cast steel i bimetallic layeed castigs. Achives of Foudy Egieeig. 12 (1), [16] Wóbel T. & Cholewa M. (2012). The ifluece of selected cast paametes o quality of joit i layeed castigs. Achives of Foudy Egieeig. 12 (2), [17] Tale J. & Duda P. (2006). Solvig diect ad ivese heat coductio poblems. Beli: Spige-Velag. [18] Adamczyk J. (2004). Egieeig of metallic mateials. Gliwice: Publishes of Silesia Uivesity of Techology. (i Polish). Bimetallic castigs with chomium-ickel wokig laye Abstact I pape is peseted techology of bimetallic layeed castigs based o foudig method of laye coatig diectly i cast pocess so-called method of mould cavity pepaatio. Pepaed castigs cosist two fudametal pats i.e. beaig pat ad wokig pat (laye). The beaig pat of bimetallic layeed castig is typical foudy mateial i.e. ualloyed cast steel o gey cast io with flake gaphite, wheeas wokig pat is plate of austeitic alloy steel sot X2CNi 18-9 o feitic-austeitic alloy steel sot X2CNiMoN The quality of the joit i bimetallic layeed castigs was evaluated o the basis of ultasoic o-destuctive testig, stuctue ad micohadess eseaches. Moeove was made compute simulatio of solidificatio of bimetallic layeed castig with use of NovaFlow&Solid softwae. Keywods: Bimetallic layeed castig, Cast steel, Cast io, Steel, Chomium, Nickel, 86 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 2 / ,