24/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN 28-9386 ODLEWY WARSTWOWE BARTOCHA D., SUCHOŃ J., JURA S. Katedra Odlewnictwa Politechniki Śląskiej 44-1 Gliwice Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE. W artykule opisano badania nad opracowaniem technologii wytwarzania metodą odlewniczą płyt bimetalowych staliwo chromowe blacha stalowa. Technologia taka pozwoliłaby rozszerzyć zastosowanie staliwa chromowego na elementy maszyn poddawane podczas montażu obróbce mechanicznej bądź spawaniu. 1. WPROWADZENIE. Materiały odporne na zużyci ścierne są stosowane w wielu dziedzinach techniki jako elementy maszyn pracujące w bardzo ciężkich warunkach. Tego rodzaju tworzywa przy swoich niewątpliwy zaletach posiadają także wady, takie jak: trudna obrabialność i spawalność, oraz niska plastyczność. Wad tego rodzaju nie wykazują stale konstrukcyjne. Aby połączyć zalety tych dwu grup tworzyw opracowano różne metody łączenia materiałów odpornych na zużycie ścierne z stalami konstrukcyjnymi w tzw. elementy bimetalowe. Elementy te łączą zalety eksploatacyjne materiałów odpornych na zużycie ścierne i stali konstrukcyjnych, a ponadto z uwagi na spawalność stali niskowęglowych pozwalają na prosty i łatwy montaż i wymianę zużytych części przy użyciu technik spawalniczych. Jednym z pierwszych sposobów łączenia tych materiałów ze sobą było lutowanie twarde miedzią płytki odlanej z żeliwa z blachą stalową, proces ten był prowadzony w piecu próżniowym, co było trudne i kosztowne. Dlatego opracowano metodę łączenia blachy stalowej z płytką z żeliwa chromowego bezpośrednio w formie podczas procesu odlewania, co technologicznie jest dużo prostsze i tańsze od poprzedniej metody. Jednakże nie tylko żeliwa chromowe są stosowane jako materiały odporne na zużycie ścierne, dlatego istnieje potrzeba odlewniczego łączenia z stalą konstrukcyjną odpornego na zużycie ścierne staliwa chromowego. 2. PRZEPROWADZONE BADANIA. 2.1. Cel i sposób realizacji. Celem badań było sprawdzenie możliwości połączenia stali niskowęglowej ze staliwem chromowym odpornym na ścieranie w procesie odlewania, oraz gdy połączenie takie okaże się możliwe opracowanie technologii wykonania elementów warstwowych na
152 drodze odlewniczego połączenia wyżej wymienionych materiałów. Realizując cel badań wzorowano się na technologii wytwarzania odlewów bimetalowych stal żeliwo, polegało to na wypełnieniu ciekłym metalem wnęki formy, w której zaformowano poziomo blachę stalową. Zalewanie formy przebiegało dwuetapowo, w pierwszym etapie zalana zostaje ciekłym metalem wnęka pod blachą w celu jej podgrzania. Utworzona w ten sposób warstwa staliwa po wybiciu odlewu zostaje oddzielona od blachy stalowej. W drugim etapie, następującym po pewnym odstępie czasu, zalana zostaje wnęka nad blachą, ciekły metal wypełniając formę tworzy warstwę, która łącząc się z blachą tworzy z nią bimetalową płytę. Założone zostały także kształt i wymiary próbnego odlewu bimetalowego, który składa się z blachy stalowej o wymiarach 34x16x5 i warstwy staliwa o wymiarach 3x145x15. Materiały, które użyto do badań to: staliwo chromowe L12H12 jako część robocza odlewu bimetalowego i blacha ze stali St3 stanowiąca zbrojenie tegoż odlewu. Ponadto wykonano odlew próbny stosując żeliwo ZlCr15Mo3. 2.2. Technologia formy. W zastosowanym sposobie formowania (rys. 1.) blacha stalowa zbrojąca odlew zaformowana została w dolnej połówce formy tak, że powierzchnia blachy przygotowana do połączenia z warstwą staliwa pokrywała się z płaszczyzną podziału formy. Pod blachą utworzona została wnęka na warstwę staliwa podgrzewającego blachę, wlew główny tej warstwy znajdował się w połowie dłuższego boku blachy, zastosowano także wylew sygnalizacyjny. Dodatkowo warstwa ta, o grubości 1 [mm], została zaopatrzona w kołnierz, o szerokości 2 [mm], podwajający jej grubość na obwodzie, zadaniem tego kołnierz było silniejsze podgrzanie krawędzi blachy znajdujących się w bezpośrednim kontakcie z formą. Nad blachą utworzono wnękę na warstwę staliwa, która połączona z blachą utworzy bimetalową płytę. Wlew główny tej warstwy umieszczony został w połowie długości krótszego boku blachy, warstwa ta zaopatrzona została w zbiornik przelewowy. Kształt wnęki umożliwiał dokładne ustalenie blachy w dolnej połówce formy i zamocowanie jej przez dociśnięcie górną połówką. 2.3. Przygotowanie blach. Przyjęty dwustopniowy sposób zalewania formy wymuszał odmienne przygotowanie obu powierzchni blachy. Przygotowanie powierzchni blachy do połączenia z warstwą staliwa polegało na piaskowaniu, do uzyskania jednolitej matowo szarej barwy, a następnie pokryciu jej wodnym roztworem związków mineralnych. Druga powierzchnia blachy, izolowana od ciekłego metalu pokryta została wodną dyspersją cyrkonitu. 2.4. Rejestracja temperatury blachy. Pomiaru temperatury blachy podczas jej podgrzewania warstwą ciekłego metalu dokonano montując w formie termopary stykające się z blachą w punktach T i T1 (rys.1.).
odlew roboczy 153 wlew wlew odlew podgrzewający przelew blacha T1 Rys. 1. Schemat formowania odlewu bimetalowego. Fig. 1. Scheme of the moulding of compound casting. T Termopary podłączone były do przetwornika typu CRYSTALDIGRAPH PC 2 sprzężonego z komputerem, który rejestrował temperaturę w punktach pomiarowych. Na tej podstawie możliwe było wykreślenie krzywych temperatura czas, charakteryzujących proces nagrzewania blachy przez warstwę ciekłego metalu, oraz ich pochodnych czyli prędkości nagrzewania. Krzywe te oddają pewien zarys warunków termicznych panujących w formie w trakcie nagrzewania blachy i w momencie zalania ciekłym metalem warstwy roboczej odlewu. Pozwala to na określenie warunków termicznych sprzyjających łączeniu blachy stalowej ze staliwem chromowym. 3. ANALIZA WYNIKÓW. 3.1. Analiza połączenia. Z charakterystyk temperaturowych nagrzewania blachy wynika że temperatura blachy w obrębie pola łączenia wynosiła ok. 75 O C w narożach blachy i powyżej 1 O C w środkowej jego części. Wydaje się, że taka temperatura nagrzania blachy stwarza dobre warunki zwilżania blachy przez ciekły metal w trakcie zalewania warstwy roboczej bimetalu i w efekcie dojdzie do połączenia tych materiałów. Niesety podczas zalewania i bezpośrednio po zalaniu warstwy roboczej występuje zbyt duża nierównomierność warunków termicznych na powierzchni kontaktu staliwa z blachą czego dowodem jest wystąpienie w odlewach stal staliwo: obszaru przetopienia blachy przez ciekły metal. W okolicy wlewu występuje dokładne połączenie obu materiałów. Niestety połączenie to następuje na niewielkim obszarze (rys. 4 a). Na pozostałej powierzchni wystąpił brak połączenia.
154 K1 K K K1 8 17.4 7 14.5 6 11.6 Temperatura[ o C] 5 4 3 2 1 8.7 5.8 2.9-2.9 dt dt K s 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 Czas [s] -5.8 Rys. 2. Wykresy przebiegu i pochodnej nagrzewania blachy w punktach pomiarowych. Odlew stal żeliwo. K pomiar temperatury w połowie dłuższego boku blachy, K1 pomiar temperatury w narożu blachy. Fig. 2. Heating diagrams and times derivative of heating in measuring points. Cast steel cast steel. K measurements of temperature in half longer side of the plate, K1 - measurements of temperature in corner of the plate K1 9 K K K1 21 8 18 7 15 6 12 Temperatura [ o C] 5 4 3 2 1 9 6 3-3 dt dt K s 4 8 12 16 2 Czas [s] 24 28 32 36-6 4 Rys. 3. Wykresy przebiegu i pochodnej nagrzewania blachy w punktach pomiarowych. Odlew stal staliwo. K pomiar temperatury w połowie dłuższego boku blachy, K1 pomiar temperatury w narożu blachy. Fig. 3. Heating diagrams and times derivative of heating in measuring points. Cast steel cast iron. K measurements of temperature in half longer side of the plate, K1 - measurements of temperature in corner of the plate
155 Wykonany w tych samych warunkach odlew żeliwny charakteryzował się dobrym spojeniem żeliwa z blachą i brakiem przetopienia blachy (Rys. 4 a.). a) b) Rys. 4. Struktura metalograficzna odlewu bimetalowego pow. 22x. a) strefa połączenia staliwa z blachą stalową, dolna część struktura stali, górna struktura staliwa chromowo. b) Strefa połączenia żeliwa z blachą stalową, dolna część struktura stali, górna struktura żeliwa chromowo molibdenowego. Fig. 4. Microstructure of compound casting magn. 22x. a) zone of connection of cast steel and steel plate, lower part structure of steel, upper structure of chromium cast steel. b) zone of connection of cast iron and steel plate, lower part structure of steel, upper structure of chromium molybdenum cast ironl. 3.2. Twardość płytki bimetalowej. Twardość odlewu bimetalowego badana była na próbkach wyciętych z odlanych płyt i zmierzona została na ich powierzchniach reprezentujących przekrój płyty bimetalowej. Rozkład twardości na przekroju płyty przedstawiony został w sposób graficzny na rysunkach rys. 5 i rys. 6. 3.3. Wnioski. Przeprowadzone badania nad wykonaniem odlewu bimetalowego staliwo blacha stalowa wykazały, że połączenie tych dwu materiałów w procesie odlewniczym jest trudne do uzyskania. Uzyskanie połączenia wymaga jednak utrzymania jak najdłużej w bardzo wąskim zakresie wysokiej temperatury strefy kontaktowej blachy z ciekłym metalem. Czego przy zastosowanej w trakcie prób: technologii formy, grubości blach i grubości warstwy roboczej nie udało się dokonać na całej powierzchni łączenia.
156 1 88.1 88.1 88.1 2 3 321 321 blacha staliwo staliwo staliwo 35 3 25 2 15 1 5 Twardość [HB] Rys. 5. Rozkład twardości na przekroju płyty bimetalowej blacha stalowa staliwo. Fig. 5. Hardness distribution on the section compound casting, steel plate cast steel. 1 92 2 95.5 3 341 363 3 363 41 363 34 363 1 363 99 blacha 363 żeliwo żeliwo żeliwo 4 35 3 25 2 15 1 5 Twardość [HB] Rys. 6. Rozkład twardości na przekroju płyty bimetalowej blacha stalowa żeliwo. Fig. 6. Hardness distribution on the section compound casting, steel plate cast iron. Połączenie blachy z warstwą staliwa zaistniało jedynie w obszarze przejściowym od obszaru przetopienia do obszaru braku spojenia, co świadczy o zbyt nierównomiernych warunkach termicznych strefy kontaktowej blachy z ciekłym metalem aby mogło dojść do połączenia na całej powierzchni łączenia. Należałoby więc, zastanowić się nad stworzeniem bardziej stabilnych i równomiernych warunków termicznych kontaktu ciekłego metalu z blachą poprzez np. zwiększenie grubości blachy zbrojącej odlew i zwiększenie grubości warstwy roboczej odlewu bimetalowego. Technologia ta w zastosowaniu dla żeliwa chromowego jest łatwiejsza do wykonania ze względu na większe różnice temperatury topnienia staliwa i krzepnięcia żeliwa chromowego. COMPOUND CASTINGS ABSTRACT In the paper presents procedure of production of compound casting of steel plate and chromium steel cast. This method is enabled connection two materials about different properties and widened extended application of chromium steel cast when is necessary machining or welding of castings.