24/26 Solidilication of Metais and Alloys, No,24, 1995 Krupniecie Metali i Stopów, Nr 24, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN 0208-9386 STOPOWE WARSTWY KOMPOZYTOWE NA ODLEWACH STALIWNYCH GAWROŃSKI Józef, MARCINKOWSKA Janina SZAJNAR Jan CHOLEWA Mirosław, WRÓBEL Piotr ' Katedra Odlewnictwa Politechniki Śląskiej 44-100 Gliwice, ul.towarowa 7 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono badania nad otrzymywaniem stopowych warstw kompozytowych wysokochromowych na odlewach staliwnych. Opracowano technologię warstw kompozytowych oraz podstawy teoretyczne procesu, z mechanizmem powstawania warstwy stopowej. 1. WPROW ADZENIE Przeprowadzone badania [l] [2] nad umacnianiem staliwa powierzchniową warstwą stopową, jako zabiegiem wykonanym w procesie odlewania, pozwoliły na opracowanie: - praktycznych sposobów umacniania odlewów w formie, - wytycznych technologii umocnionych odlewów, obejmujących materiały stosowane do obróbki powierzchni formy oraz podstawowe warunki procesu technologicznego, - własności powierzchniowej warstwy stopowej na staliwie, - oceny istotności wpływu ważniejszych czynników technologicznych na własności warstwy stopowej na staliwie. Metoda i warunki technologiczne wytwarzania warstwy stopowej na staliwie, w procesie odlewania, upoważniają do określenia jej mianem warstwy kompozytowej. Wyniki przeprowadzonych badań oraz odpowiednie opracowania [1-4] byly wykorzystane do wykonania twardej warstwy stopowej na odcinkach powierzchni odlewów staliwnych, a mianowicie szeregu wybranych odlewów użytkowych, takich jak: płyty, tuleje, zgrzebła przenośnika, walki napędowe i nawrotne do kombajnu, ostrogi - elementy jezdni kombajnu. Analiza przeprowadzonych prac eksperymentalnych w zakresie uszlachetniania staliwa warstwą stopową pozwoliła na opisanie mechanizmu tworzenia warstwy stopowej na staliwie oraz na charakterystykę procesów fizycznych zachodzących w formie, warunkujących powstanie powierzchniowej warstwy stopowej. Uwzględniono przy tym dużq ilość zebranych informacji na temat warunków wytwarzania i własności warstw stopowych.
172 2. OPRACOWANIE MECHANIZMU POWSTAWANIA WARSTWY STOPOWEJ NA STALIWIE [2] [S] Warstwa stopowa powstaje w wyniku współdziałania staliwa wlanego do formy ze stopowym pokryciem formy, w warunkach panujących w formie. Rozpatrywanie mechanizmu tworzenia warstwy stopowej na staliwie ograniczono do tworzenia warstw twardych, trudnoś cieralnych. To ograniczenie dotyczy przede wszystkim rodzaju materiałów uczestniczących w procesie, a mianowicie że lazostopów w pokryciu formy, pozwalającej na uzyskanie wymaganych własności warstwy stopowej. Przyjęto na s tępujące podstawowe warunki technologiczne procesu tworzenia warstwy stopowej na staliwie: - odlewane staliwo węglowe lub niskostopowe, - formy piaskowe, suche, - w pokryciu stopowym formy obecny żelazochrom wysokowęglowy stosowany pojedynczo, lub w mieszaninie z żelazomanganem. Powstale warunki formowania, zasilania w formie oraz odlewania, na tym etapie rozważań nie wymagają uściślenia. Wymienione warunki procesu, właściwości g ł ów ny ch materiałów uczestniczący c h w procesie, jak t eż właściwości uzyskiwanych warstw stopowych, stanowiły punkt wyjścia do opisania zjawisk zachodzących w formie, a zwłaszcza zjawisk dominujących w procesie tworzenia warstwy stopowej na staliwie. 2.1. Procesy zachodzące w formie podczas kształtowania warstwy stopowej na staliwie Procesy zostają zapoczątkowane w chwili kontaktu staliwa ze składnikiem stopowym w pokryciu formy, czyli po wypełnieniu formy metalem. Po uwzględnieniu temperatur odlewania staliwa przy odlewach cie1ikościennych (1550-1600"C), jak też przy odlewach grubościennych (1530-1580 C) oraz temperatur początku krzepnięcia gatunków staliwa węglowego i niskostopowego, okazuje się, że staliwo przegrzane jest tylko o około 35-65 stopni. Tak więc można oczekiwać, że czas pozostawania staliwa w stanie ciekłym w warstwie przyściennej wnęki formy piaskowej jest bardzo krótki. W tej sytuacji po wypełnieniu formy metalem, przy ściance wnęki formy może utworzyć się cie11ka warstewka zakrzepłego metalu. Ponowne przejście zakrzeplej warstewki w stan ciekły jest dyskusyjne i na pewno zależy od warunków stygnięcia odlewu w formie. Ponadto warstwa pokrycia stalowego, obecna przy ściance formy, działa szczególnie ochładzająco na przyścienną warstwę staliwa i dodatkowo sprzyja jej zakrzepnięciu. Rozpatrzone dotąd warunki temperaturowe w warstwie przyściennej staliwa wskazują na to, że podczas kształtowania warstwy stopowej na odlewie nie wy s~<w i penetracja staliwa w stopowe pokrycie formy, które jest materiałem porowatym. Dodatkowymi argumentami, wykluczającymi penetrację z możliwych procesów zachodzących po zetknięciu cieklego metalu z pokryciem stopowym, sa duże napięcie powierzchniowe i duża lepkość staliwa, zwiększające się w zetknięciu z utleniająca. atmosfera. formy. ł>yskutowane dotąd warunki tworzenia się warstwy stopowej na odlewie, podczas odlewania staliwa, skłaniają do postawienia tezy, że wiodącymi procesami w formie są: - nagrzewanie się i topienie materialu stopowego w kontakcie z zakrzepłą warstewką staliwa, - rozpuszczanie się fazy stałej w fazie ciekłej,
173 - krystalizacja warstwy stopowej, - kierunkowa dyfuzja. Wymienione procesy zachodzą podczas nieustalonego przepływu ciepła, czyli w nieustalonym polu temperatury. Obniżenie się temperatury w warstwie przyściennej odlewu w formie powoduje stopniowe ustanie procesów. W celu uwzględnienia niewątpliwie decydującego wpływu temperatury na przebieg wyjhienionych procesów, zachodzących w formie podczas powstawania warstwy stopowej na staliwie, przeprowadzono obliczenia numerycwe zmian temperatury w warstwie powierzchniowej odlewu, obejmujacej staliwo i warstwę materialu stopowego, będącej w kontakcie z masa formiersk(l. 2.2. Obliczenia zmian ternperatut y w wa stwie powici"zchniowej odlewu podczas powstawania warstwy stopowej W obliczeniach wykorzystano program opracowany w laboratorium Informatyki Instytutu Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Program umożliwia określenie niestacjonarnego rozkładu temperatury w warstwie powierzchniowej odlewu, obejmujacej staliwo i warstwę materialu stopowego w formie piaskowej. Program został opracowany w języku PASCAL na mikrokomputerze 18M PC/ AT. Obliczenia numeryczne przeprowadzono dla określonych, założonych warunków analizowanego procesu technologicznego, jak również przy pewnych uproszczeniach samego procesu. Przyjęte w obliczeniach założenia oraz uproszczenia zostaną kolejno omówione i uzasadnione. l. Przyjęto nastepujące materiały uc zes tniczące w powstawaniu trudnościeralnej warstwy stopowej na odlewie staliwnym w formie: staliwo węglowe, żelazochrom wysokowęglowy. Te materiały charakteryzują analizowany proces technologiczny i wynikają z eksperymentu. 2. Przyjero gęstości pokrycia stopowego formy: O, 70; l,40; 2, l O g Fe-Cr-C/cm 2 powierzchni formy. Wynikają z eksperymentu i reprezentują zakres stosowany podczas aktywacji formy. 3 Grubości warstwy materialu stopowego: O, l; 0,2; 0,3 cm określono ze stosunku gęstości pokrycia stopowego formy do gętości materialu stopowego (0,00 g/cm 3 ). Nie uwzględniono w ten sposób porowatości pokrycia stopowego oraz obecności w nim spoiwa. To uproszczenie można wyt łumaczyć szczególnie dużym zagęszczeniem skladnika stopowego przy stosowanej z iarni stości ( < 0,3 mm; < 0,2 mm) oraz bardzo małym masowym, jak też objetościowym ud zia łem spoiwa w pokryciu stopowym. 4. Przyjęto właściwości termofizyczne pokrycia stopowego formy równe analogicznym właściwościom materialu stopowego (Fe-Cr-C). Uproszczenie uzasadnione w p.3. 5. Za łożono obliczanie zmian temperatury w ograniczonym okresie czasu, to jest do chwili początku topnienia, czyli do osiągnięcia temperatury solidus w warstwie materialu stopowego. Pojawienie się cieczy warunkuje dobre sprzę_żenie material ów uczestniczących w kształtowaniu warstwy stopowej na odlewie, inicuje oraz intensyfikuje procesy
174 rozpuszczania i dyfuzji. Do chwili początku topnienia materialu stopowego procesy rozpuszczania i dyfuzji pomiędzy zakrzeplą warstewką staliwa, a porowalą warstwą pokrycia stopowego sa uniemożliwione lub utrudnione mechanicznymi przeszkodami w ruchu masy. 6. W obliczeniach nie został uwzględniony wpływ dwukierunkowy dyfuzji pomiędzy staliwem i warstwa materialu stopowego na właściwości termofizyczne tych materiałów. Uproszczenie uzasadnione w p.5 dla analizowanego odcinka czasu, to znaczy do pocz ątku topnienia mat e riału stopowego. Przyjęty do obliczeń numerycznych schemat podzi a ł u róż n ic ow ego warstwy przyś c iennej odlewu pokazano na rys. l. WARSTWA STOPOW A STALIWO MASA FORMIERSKA 1 ISO h h - krok siatki różnicowej Rys. l. Schemat podziału różnicowego warstwy przyściennej Fig. I. Scheme of the differential partition of the boundary Iayer Opracowany program komputerowy bazuje na numerycznym rozwiązaniu równanie przewodnictwa ciepla (równanie Fouriera-Kirchoffa) z odpowiednimi warunkami brzegowymi i początkowymi.
175 W obliczeniach wprowadzono następuj'lce wlaściwości termofizyczne materiałów. Oznaczenia: - wspólczynnik przewodzenia ciepla staliwa, materialu stopowego, formy - cieplo właściwe staliwa, materiału stopowego, formy - gęstość staliwa, materialu stopowego, formy Parametry termotizyczne staliwa węglowego (0,02 % C): faza ciekla 11-18 W/mK C l - 837 J/kgK rl - 7000 kg/ m 3 faza stał a 13-35 W / mk C3-691 J/kgK r3-7500 kg/ m 3 Parametry termofizyczne materialu stopowego (Fe-Cr-C 6,5 %C, 60%Cr): faza ciekla lzl - 18 W/ mk czl - 900 J/kgK rz - 7000 kg/ m 3 faza sta ł a lz3-18 W/ mk cz3-900 J/kgK rz - 7000 kg/ m 3 Parametry termofizyczne masy formierskiej: lf - 1,2 W/ mk cf- 1088 J/kgK rf- 1730 kg/m 3 Przyjęto temperaturę solidus ts staliwa- 1490 C (ts) materiału stopowego - ł220 C (tsz) temperaturę likwidus tl staliwa - 1525"C (tl) materialu stopowego - 1281 "C (tlz) -----l, lz, lf ----- c, cz, cf ---- r, rz, rf Zalożono następujące warunki początk owe, wynikające z parametrów technologicznych analizowanego procesu, a mianowicie: -temperaturę zalewania staliwa tzal - 1570"C -temperaturę początkową materialu stopowego i masy formierskiej tf - 20"C. Model matematyczny opracowano dla płyty nieskończonej (model jednowymiarowy). Przeprowadzono obliczenia numeryczne dla trzech grubości warstwy materiału stopowego: 0,001 m, 0,002 m, 0,003 m. Jednocześnie dla każdego liczonego przypadku zm ieniala się grubość ścianki staliwa, będąca dwudziestokrotną grubością warstwy stopowej. Wyniki obliczeń numerycznych rozkladu temperatury dla nieustalonego przepływu ciep ł a w warstwie przyściennej staliwa przedstawiono jedynie we fragmencie. Na rys. 2 pokazano z mianę temperatury w warstwie powierzchniowej odlewu, w charakterystycznych węzlach pomiarowych, dla trzech grubości warstwy materialu stopowego. Określona numerycznie zmiana temperatury w warstwie powierzchniowej odlewu potwierdza postulowane w p. 2. 1 procesy inicjujące powstawanie warstwy stopowej w odlewie, a mianowicie: nagrzewanie i topienie materialu stopowego w kontakcie z zakrzepłą
176 warstewką staliwa. Jednocześnie wyklucza penetrację staliwa z możliwych procesów zachodzących w warstwie powierzchniowej odlewu. Pozostale procesy, będące konsekwencją pierwszych, można u zasa dnić na podstawie badal1 metalograficznych struktury warstwy stopowej, a z właszcza struktury strefy przeiściowej pomiędzy staliwem i warstwa stopowa. 'C i 1600 l t\ ~ \ 1400 \ \,... 1100.. :::.:: :::....... loool:<>/ BOJ/ ~! 600 ~! ~i ~ 400 ;, &! 200 j 150 200 205 ~: grubość warstwy m a t e riału stopowego 1.E 1... _ l mm --- - 2 mm --}mm 10 20 30 40 50 sec Rys. 2.Przebiegi zmian temperatury w warstwie powierzchniowej Fig. 2.Temperature changes in the surface layer 3. POMIARY TEMPERATURY W WARSTWIE POWIERZCHNIOWEJ ODLEWU PODCZAS POWSTAWANIA WARSTWY STOPOWEJ NA STALIWIE Niezależnie od oblicze1i numerycznych zamierzono uzyskanie charakterystyki rzeczywistych zmian temperatury w warstwie przyściennej odlewu podczas wykonywania warstwy stopowej w procesie odlewania. Opracowano stanowisko pomiarowe umożliwiajace prowadzenie ciąg ł ych pomiarów temperatury w charakterystycznych punktach formy doświadcz a ln ej. Doświadczenie prowadzono w warunkach technologicznych maksymalnie zbliżonych do przyjętego w opracowaniu mechanizmu powstawania warstwy stopowej na staliwie, jak też spełniających założenia w obliczeniach numerycznych (p.2). Zastosowano formę skorupową umożliwiająca powtarzalne instalowanie układu termopar, jak też wykonywanie warstwy materiału stopowego we wnęce formy. Jednoczesne odlewanie trzech kul różniących s ię masywności4 pozwala na rozszerzenie bada1i w zakresie warunków temperaturowych w formie.
Schemat skorupowej formy doświadczalnej i rozmieszczenie termoelementów pokazano na rys.3. 177 Rys. 3.Schemat skorupowej formy doświadczalnej Fig. 3.Schema of the experimental shell mould Na rys.4 przedstawiono przykładowo przebieg zmian temperatury w punktach pomiarowych formy doświadczalnej dla odlewu kuli ośrednicy 6,0 cm. Temperatury mierzone dla warstwy materialu stopowego wskazują, że w wyniku nagrzania przechodzi on w stan ciekły, pozostając w kontakcie z warstewką zakrzepłego staliwa. V 1.800 1.600 J..qOO.1.200 l. OOO 20 40 60 80 Vl "' N ~... l. OO Rys. 4.Rzeczywiste przebiegi zmian temperatury Fig. 4.Actual temperature changes
178 4. PODSUMOWANIE Opracowany mechanizm powstawania warstwy stopowej na staliwie w założonych warunkach procesu technologicznego, znajduje potwierdzenie w obliczeniach numerycznych pola temperatur, jak też w pomiarach zmian temperatury w warstwie przyściennej odlewu. Warstwy stopowe kształtuj (l się z fazy cieklej. Własności, w tym strukturę warstwy stopowej i strefy przejściowej, limituj(l procesy rozpuszczania i dyfuzji, zachodza.ce przede wszystkim pomiędzy zakrzepła warstewka staliwa, a warstwa materialu stopowego w fazie cieklej. Intensywność wymienionych procesów zależy od warunków stygnięcia odlewu w formie. Procesy dyfuzji znacznie zmniejszają się po zak rz epnięciu warstwy stopowej. LITERATURA [l] Międzyresortowy Problem Badai1 Podstawowych nr 20: Odlewnicze trudnościeralne warstwy stopowe na odlewach. Sprawozdanie etapowe l 976 - l 98 l. Instytut Odlewnictwa Poi.ŚI. Gliwice. [2] Centralny Problem Bada11 Podstawowych 02.09: Krystalizacja odlewów warstwowych kompozytowych odpornych na ścieranie. Sprawozdanie etapowe 1986-1990. Instytut Odlewnictwa Pol.Śl. Gliwice. [3] Marcinkawska J.: Trudnościeralne powierzchniowe warstwy stopowe na odlewach staliwnych. Przegl4d Odlewnictwa, 1985, nr 4-5, s.l44. [4] Marcinkawska J.: Trudnościeralne powloki odlewnicze na staliwie. Krzepnięcie metali i stopów. 1983, t.vi, Ossolineum. [5] Projekt badawczy KBN nr PBU-30/94/95 - autorzy : J.Gawro1iSki, J.Marcinkowska, P.Wróbel, J.Szaj nar, M.Cholewa (w toku). ALLOYED COMPOSITE LA YERS ON THE STEEL CASTINCS The paper presents the investigations of the creation of the alloyed composite Jayers with a high eontent of Chromium on the steel castings. The technology of the composite layers and then relevant theoretical basis were worked out, including the mechanism of orgination of the alloyed Jayer.