36/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 BADANIA ŻELIWA CHROMOWEGO NA DYLATOMETRZE ODLEWNICZYM DO-01/P.Śl. STUDNICKI Andrzej, JURA Stanisław, KILARSKI Jerzy Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska 41-100 Gliwice, ul. Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE W artykule przestawiono wyniki badań żeliwa chromowego na dylatometrze odlewniczym skonstruowanym i wykonanym w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Celem badań było określenie wpływu węgla i chromu na zmianę współczynnika skurczu. 1. WPROWADZENIE Po odlaniu zarówno w stanie ciekłym jak i stałym metal kurczy się w sposób ciągły podczas chłodzenia. W pewnych temperaturach zmiana ta ma charakter skokowy i związana jest z przemianami fazowymi. W praktyce odlewniczej zjawisko to nazwano skurczem. Skurcz odlewniczy obejmuje całość procesów powodujących zmniejszenie objętości metalu wlanego do formy przy jego krzepnięciu i studzeniu. Procesy skurczowe mogą wywoływać w odlewach różne wady, takie jak: porowatość, jamy skurczowe, odkształcenia, pęknięcia, naprężenia [1]. W procesie krzepnięcia i stygnięcia odlewów przyczyny powstawania skurczu i jego wielkość są najczęściej następujące: - nieciągła zmiana gęstości przy zmianie stanu skupienia, - różne współczynniki rozszerzalności w stanie ciekłym i stałym, - przemiany alotropowe w stanie stałym, - procesy wydzieleniowe podczas krzepnięcia i stanie stałym, - prędkość chłodzenia, - zawartość gazów [2]. We współczesnym odlewnictwie znajomość sumarycznego skurczu odlewniczego jest już niewystarczająca. Dużo więcej informacji o skurczu, jego kinetyce, wielkości można uzyskać analizując krzywe zmian skurczowych. Do rejestracji takich krzywych niezbędne jest stanowisko pomiarowe do ciągłej rejestracji zmian wymiarowych odlewu podczas krzepnięcia i stygnięcia. W Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej skonstruowano, wykonano i przetestowano urządzenie dylatometryczne do badania procesów skurczowych różnych materiałów
224 odlewniczych [3]. Badania testujące przeprowadzono dla takich materiałów jak: żeliwo szare, żeliwo stopowe, staliwo węglowe, silumin, brąz [3]. W niniejszym artykule opisano badania skurczu odlewniczego żeliwa chromowego. Głównym celem badań było wyznaczenie współczynnika skurczu odlewniczego w funkcji temperatury. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ I STANOWISKO BADAWCZE Do analizy skurczu odlewniczego wytypowano żeliwo chromowe o różnej zawartości węgla i chromu. Wytopy żeliwa przeprowadzono w indukcyjnym piecu tyglowym o wyłożeniu obojętnym. W tabeli 1 podano skład chemiczny poszczególnych wytopów. Tabela 1 Skład chemiczny badanego żeliwa chromowego Numer zawartość pierwiastka w [%] wag. Wytopu C S P Si Mn Cr Ni Mo Ti Cu 1 1.8 0.020 0.035 0.18 0.23 10.5 0.07 0.15 0.05 0.05 2 2.05 0.025 0.031 0.36 0.23 22.4 0.11 0.09 0.03 0.04 3 1.7 0.025 0.031 0.14 0.16 6.6 0.05 0.06 0.01 0.07 4 2.55 0.030 0.035 0.47 0.16 12.1 0.05 0.05 0.03 0.03 5 2.8 0.029 0.030 0.54 0.11 22.3 0.05 0.03 0.03 0.03 6 2.6 0.036 0.034 0.35 0.10 7.2 0.02 0.35 0.03 0.04 7 1.7 0.025 0.031 0.55 0.35 6.3 0.04 0.1 0.07 0.03 Ciągłą rejestrację skurczu odlewniczego przeprowadzono na próbkach o długości początkowej 200 mm. Pomiarowe formy odlewnicze zostały wykonane z masy formierskiej i rdzeniowej ze szkłem wodnym. Do rejestracji krzywych zmian skurczowych zastosowano dylatometryczne odlewnicze stanowisko badawcze zbudowane w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Na rys.1 przedstawiono schemat tego stanowiska. KOMPUTER klasy PC Dylatometr odlewniczy DO-01/P.Śl. CRYSTALDIGRAPH PC-TL Rys.1 Dylatometryczne odlewnicze stanowisko badawcze Fig.1 Casting dylatometry station
225 Część rejestrująca tego stanowiska (Crystaldigraph PC-TL, komputer PC) jest uniwersalna i może być wykorzystywana do innych stanowisk badawczych np. klasycznego dylatometru bezwzględnego, długoczasowego pomiaru temperatury. Część pomiarowa stanowiska badawczego zwana dylatometrem odlewniczym DO-01/P.Śl. umożliwia pomiary skurczu materiałów odlewniczych krzepnących i stygnących w różnych materiałach formierskich. Na rys.2 pokazano konstrukcję tego dylatometru. Czujnik 0 Czujnik 1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 podstawa pomiarowa, 2 forma niedzielona, 3 rdzeń, 4 próbka pomiarowa, 5 termopara, 6 kotwica stalowa, 7 popychacz kwarcowy, 8 indukcyjny czujnik przemieszczenia Rys.2 Dylatometr odlewniczy DO-01/P.Śl. Fig.2 Casting dilatometer DO-01/P.Śl. Bezpośrednio na dylatometrycznym odlewniczym stanowisku badawczym krzywe zmian wymiarowych próbki (czujniki przemieszczeń 0 i 1) i krzywa stygnięcia próbki (termopara) rejestrowane są w funkcji czasu. Uzyskane z pomiarów dane mogą być przetwarzane i analizowane przy pomocy różnych programów komputerowych np. typu arkusz kalkulacyjny. Przy analizie wyników pomiarów skurczu badanych żeliw chromowych wykorzystano arkusz kalkulacyjny EXCEL. Bardzo łatwo można na podstawie zarejestrowanych pomiarów opracować wykresy szybkości stygnięcia, skurczu bezwzględnego, skurczu względnego, współczynnika skurczu. Na rys.3 przedstawiono uzyskany w wyniku prostych przeliczeń wykres krzywej skurczu żeliwa chromowego z wytopu 4.
226 2.00% Wytop 4 (C=2.55%, Cr=12.1%) 1.50% Skurcz [ % ] 1.00% 0.50% 0.00% -0.50% 1400 1200 1000 800 600 Temperatura [ C ] 400 200 0 Rys. 3 Krzywa skurczu żeliwa chromowego WYTOP 4 Fig. 3 Shrinkage curve of chromium cast iron MELT 4 3. WSPÓŁCZYNNIK SKURCZU ŻELIWA CHROMOWEGO Ilościowe zmiany wymiarów ciał przy stygnięciu charakteryzowane są najpełniej przy pomocy współczynnika skurczu α. Rzeczywisty współczynnik skurczu można określić ze wzoru: α = 1 l dl dt gdzie: T temperatura [ o C] l długość próbki [mm] Jak widać wyznaczenie rzeczywistego współczynnika skurczu polega na różniczkowaniu krzywej skurczu. Obliczenie pochodnej najlepiej można zrealizować numerycznie. Na rys.4 pokazano opracowany wykres współczynnika skurczu dla wytopu 4. Na tym wykresie bardzo wyraźnie widać jak w czasie krzepnięcia i stygnięcia odlewu próbki zmienia się intensywność skurczu żeliwa chromowego. Skokowe zmiany współczynnika skurczu świadczą o zachodzących w żeliwie przemianach fazowych.
227 2.00E-05 1.00E-05 Współczynnik skurczu [1/K] 0.00E+00-1.00E-05-2.00E-05-3.00E-05-4.00E-05-5.00E-05-6.00E-05 α 1-7.00E-05-8.00E-05 1400 1200 1000 800 α 2 600 Temperatura [ C ] Rys.4 Wykres współczynnika skurczu żeliwa chromowego WYTOP 4 Fig.4 Coefficient shrinkage diagram of chromium cast iron MELT 4 400 200 0 4. WPŁYW [Cr/C] NA WSPÓŁCZYNNIK SKURCZU ŻELIWA CHROMOWEGO W żeliwach chromowych bardzo ważnym parametrem charakteryzującym właściwości tego tworzywa jest stosunek zawartości chromu do węgla (Cr/C). Do analizy wpływu Cr/C na współczynnik skurczu wybrano tylko niektóre wartości tego współczynnika zgodnie z zasadą podaną na rys.4. Wybrano punkty krzywej w której współczynnik skurczu przyjmuje największe bezwzględne wartości. W tabeli 2 zestawiono analizowane dane. Tabela 2 Zestawienie danych C Cr Cr/C α 1 [%] [%] *10-5 [1/K] 1 1.8 10.5 5.83-3.8-2.8 2 2.05 22.4 10.93-6.8-2.1 3 1.7 6.6 3.88-3.1-5.7 4 2.55 12.1 4.75-5.3-6.6 5 2.8 22.3 7.96-9.8-2.0 6 2.6 7.2 2.77-6.4-7.1 7 1.7 6.3 3.71-2.9-6.2 Numer Wytopu α 2 *10-5 [1/K] Ze względu na małą liczbę wytopów nie przeprowadzono głębszej analizy statystycznej zbioru danych. Zebrane wyniki przedstawiono na wykresie rys.5. Prosta analiza matematyczna (dostępna w każdym arkuszu kalkulacyjnym np. EXCEL) pozwoliła na określenie wpływu Cr/C na współczynnik skurczu. Rozkład współczynnika opisano linią trendu (wielomianem).
228 0.00E+00 Współczynnik skurczu w funkcji Cr/C współczynnik skurczu [1/K] -2.00E-05-4.00E-05-6.00E-05-8.00E-05-1.00E-04 α 2 α 1-1.20E-04 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cr/C Rys.5 Wpływ Cr/C na współczynnik skurczu żeliwa chromowego Fig.5 Influence Cr/C on the coefficient shrinkage of chromium cast iron 5. PODSUMOWANIE Nowe narzędzie badawcze zbudowane w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej pozwala na badanie zjawisk skurczowych zachodzących w krzepnącym i stygnącym materiale. Przeprowadzone badania skurczu żeliwa chromowego umożliwiły opis zachodzących zmian wymiarowych odlewu, intensywności tych zmian itd. Z przedstawionych w niniejszej publikacji wyników badań żeliwa chromowego rysuje się wniosek o dużym wpływie stosunku Cr/C na przebieg krzywej skurczowej a w konsekwencji na jakość odlewów. LITERATURA [1] Braszczyński J.: Teoria procesów odlewniczych. PWN, Warszawa, 1989, [2] Braszczyński J.: Krystalizacja odlewów. WNT, Warszawa, 1991, [3] Badania własne Katedry Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. THE INVESTIGATION OF CHROMIUM CAST IRON ON CASTING DILATOMETER DO-01/P.Śl. ABSTRACT This paper presents the results of investigations of shrinkage of chromium cast iron. The new casting dilatometer DO-01/P.Śl. was presented. This study was undertaken in order to determine the influence of carbon and chromium on coefficient shrinkage of chromium cast iron.