36/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WADY WTÓRNEGO ZAŻUŻLENIA NA PRZEMYSŁOWYCH ODLEWACH ZE STALIWA WĘGLOWEGO I STOPOWEGO B. KALANDYK 1, J. GŁOWNIA 2 Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Odlewnictwa Staliwa, Wydział Odlewnictwa, Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE W niniejszym artykule przedstawiono wyniki oddziaływania ciekłej stali z masą formierską i powstałe w wyniku tej reakcji wady na przemysłowych odlewach ze staliwa węglowego i stopowego. Stwierdzono, że wada ta nie jest żużlem kadziowym i powstaje na pionowych powierzchniach odlewów. Z przeprowadzonych badań wynika, że kontrola atmosfery we wnęce formy oraz zastosowanie powłoki ochronnej na formy nie tylko przeciwdziała powstawaniu wad powierzchniowych, lecz również zmienia skład chemiczny badanej wady. Key words: slag - gas defects, cast steels, liquid steel - sand reaction 1. WPROWADZENIE Procesy zachodzące na granicy ciekłego metalu z masą formierską są głównymi czynnikami decydującymi o jakości powierzchni odlewów. Współoddziaływanie ciekłej stali podczas zalewania formy z masą formierską (a głównie spoiwem masy) jest przyczyną powstawania m.in. nakłuć, przypaleń i zażużleń. Wśród parametrów sprzyjających powstawaniu wady wtórnego zażużlenia wymienia się przede wszystkim: reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy tlenkami pokrywającymi powierzchnię ciekłego metalu a składnikami masy formierskiej [1,2,3], penetrację ciekłego metalu w pory pomiędzy ziarnami masy formierskiej oraz skład chemiczny ciekłej stali i materiałów formierskich (w tym pokryć, spoiw i utwardzaczy). Z punktu widzenia reakcji zachodzących pomiędzy strugą ciekłego metalu a wnęką formy odlewniczej, najważniejszym czynnikiem mającym wpływ na występowanie 1 dr inż., bk@uci.agh.edu.pl 2 prof.dr hab.inż., glownia@uci.agh.edu.pl
255 omawianej wady jest zawartość pary wodnej we wnęce formy [1]. W przypadku form wilgotnych atmosfera jest silnie utleniająca, a zawartość tlenu jest znacznie wyższa niż wynika to z termodynamiki zachodzących reakcji utleniających. W takiej atmosferze następuje utlenianie obecnych w stali pierwiastków o dużym powinowactwie chemicznym do tlenu (Si, Mn, Fe), wskutek czego zachodzi reakcja powstałych tlenków ze składnikami formy. Z tych tlenków MnO i FeO są tlenkami bardzo łatwo reagującymi z SiO 2 z masy formierskiej. W czasie zapełniania formy, tlenki i produkty reakcji z SiO 2 biorą udział w dalszych reakcjach, koagulują, wypływają na powierzchnię odlewu i pozostają w postaci jasnych wtrąceń (zażużleń) w warstwach powierzchniowych i przypowierzchniowych odlewu, tworząc wady przypominające zażużlenia. Z badań [2] wynika, że gdy forma pokryta jest pokryciem bezwodnym, to można znacznie ograniczyć powstawanie tego rodzaju wad na powierzchni odlewów. Bardzo ważne jest skrócenie czasu kontaktu ciekłego metalu z utleniającą atmosferą formy. Równie ważny jest sposób zalewania formy. Turbulentny przepływ strugi metalu w formie sprzyja tworzeniu się omawianej wady powierzchniowej. 2. METODYKA BADAŃ W badaniach wykorzystano próbki z wadą powierzchniową z odlewów: koła napinającego (L600), ogniwa (L30GS), koła zębatego (L35GMA) i odlewu płyty (staliwo Hadfielda). Formy odlewnicze wykonano z masy bentonitowej na osnowie piasku kwarcowego z dekstryną. Do analizy składu chemicznego i analizy ilościowej wady wykorzystano elektronowy mikroskop skaningowy wyposażony w analizator rentgenowski. Badania prowadzono na zgładach zatopionych w masie z żywicy. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Wstępne badania wady przeprowadzono na mikroskopie optycznym. Na ich podstawie stwierdzono, że występująca wada jest silne niejednorodna, dodatkowo wypełniona porami. Swoją budową przypomina ziarenka piasku kwarcowego spojone jasną żużlopodobną masą. Dokładną identyfikację pierwiastków i miejsc ich występowania w wadzie umożliwiły mapy rozmieszczenia pierwiastków wykonane dla wad znajdujących się na wytypowanych odlewach. Ich wspólną cechą jest obecność ziarn SiO 2, które stanowią przeważającą część wady (rys.1a, 2). Obszary znajdujące się pomiędzy ziarnami SiO 2 były bardziej lub mniej zróżnicowane, ale zawsze zawierały krzem, tlen i mangan, niezależnie czy odlew był ze staliwa węglowego, czy wysokomanganowego. Znaczące różnice występowały wtedy, gdy forma posiadała pokrycie ochronne na bazie cyrkonu. W wadach występujących na odlewach wykonanych w formach z powłoką na bazie cyrkonu, obszary pomiędzy ziarnami SiO 2 są wyraźnie inne od wcześniej analizowanych. Uwagę zwracają białe wydzielenia rozmieszczone prawie równomiernie w całym obszarze wady (rys.1b). Przeprowadzona analiza wykazała, że są to obszary
256 bogate w cyrkon, tlen oraz krzem. Widma energetyczne z tych obszarów można podzielić na dwa rodzaje: zawierające piki od Zr i O wskazujące na obecność tlenku cyrkonu, oraz drugi rodzaj widm dla faz złożonej z Zr, Si i O. Sporadycznie w widmach występował mały pik od Ca i Fe, wskazując na bardziej złożoną fazę. Wykonana analiza ilościowa z tych wydzieleń ujawniła obecność Fe, natomiast sporadycznie występował Ca. Większości wydzieleń z cyrkonem zawierały średnio: 40-51%Zr, 17-20%O 2, 8,5-16,5%Si i 17-29%Fe. Przeprowadzona wstępna analiza fazowa tych wydzieleń ujawniła obecność: ZrO 2, ZrSiO 4, a także złożonego związku Ca 15 Zr 85 O 1,85. Uwagę zwraca również niejednorodność budowy obszarów, w których pojawiły się wydzielenia z Zr. Wyraźnie widoczny jest ukierunkowany układ dwóch faz jaśniejszej i ciemnej (rys.1b). W fazie ciemniejszej stwierdzono wyższą zawartość Si, Mn niż w fazie jaśniejszej, w której Mn nie było lub występował w ilości 1,2-1,8%. Natomiast jasna faz była bogata w Fe (55-62%). a) pow. 100x b) pow.500x Rys.1. Struktura wady na odlewie ogniwa a) pow. 100x; b) pow. 500x, obszar pomiędzy ziarnami SiO 2 ozn. 2 wydzielenia z Zr Fig.1. Metallographic structure of the slag gas defects a) magn. 100x; b) magn. 500x, the area between SiO 2 particles; 2 - particles containing Zr, O and Si Niską zawartość Mn (max 13%) w wadzie na powierzchni odlewu ze staliwa Mn-Si, w porównaniu z wadami powstałymi na pozostałych odlewach tłumaczyć można korzystnym oddziaływaniem powłoki ochronnej, zapobiegającej przechodzeniu Mn z ciekłego metalu do masy formierskiej. Takie wyniki dają podstawę do stwierdzenia, że analizowana wada wtórnego zażużlenia nie jest żużlem kadziowym, lecz powstaje jedynie na skutek reakcji zachodzących pomiędzy ciekłym metalem a masą formierską. Potwierdzeniem tego może być wysoka zawartość Mn w obszarach pomiędzy ziarnami SiO 2. W obszarach gdzie nie ma Mn (jasna faza) występuje wysoka ilość Fe, Si i O. Wyniki takie wskazują, że obok Mn utlenianiu ulega Fe zawarte w ciekłej stali, wchodząc później w reakcję z masą formierską.
257 Analizowane obszary pomiędzy ziarnami SiO 2 występujące na odlewach ze staliwa Hadfielda, staliwa węglowego (rys.2) nie wykazywały tak dużego zróżnicowania (jeśli pominie się wstępujące w nich porowatości). a) odlew płyty ze staliwa Hadfielda pow. 100x pow.500x b) odlew koła napinającego staliwo węglowe L600 pow. 100x pow. 1000x Rys. 2. Przykłady wad na powierzchni odlewu ze staliwa Hadfielda i staliwa węglowego Fig.2. Exemples of slag gas defects on the castings: a) cast plate (Hadfield) and b) cast ringchain (carbon cast steels) Obecność aluminium (4-8%) w obszarach pomiędzy ziarnami SiO 2 jest wynikiem procesów utleniania Al na czole strugi stali wypełniającej formę (wprowadzanego jako odtleniacz do kadzi).
258 4. WNIOSKI 1. Badana wada jest silnie niejednorodną wadą powierzchniową występującą przeważnie na górnych powierzchniach odlewu. Sporadycznie występuje też w warstwach przypowierzchniowych odlewu (odlew koła napinającego). Wada ta nie jest żużlem kadziowym, jest produktem reakcji zachodzących pomiędzy czołem strugi ciekłej stali zapełniającej formę, a masą formierską w utleniającej atmosferze formy. 2. Przeprowadzona analiza chemiczna wykazuje, że wadę stanowią ziarna piasku kwarcowego SiO 2 zawierające około 59-70%Si i 30-42% tlenu, a obszary pomiędzy ziarnami SiO 2 są zróżnicowane pod względem składu chemicznego. Zależy on od rodzaju użytej powłoki ochronnej i gatunku ciekłego staliwa. W obszarach tych stwierdzono występowanie przede wszystkim: Si (25 40%), Mn ( 17 40%), i tlenu (18 25%). Występował również Al (4-8,5%), ale tylko w tych przypadkach, gdy forma nie była pokryta powłoką ochronną na bazie ortokrzemianu Zr. Analiza widm energetycznych ujawniła sporadyczne występowanie Ca i Mg. 3. Zastosowanie na formę odlewniczą pokrycia na bazie ortokrzemianu cyrkonu (formy odlewu ogniwa) powoduje pojawienie się złożonych faz z udziałem Zr. Wydzielenia te widoczne są zarówno w pobliżu powierzchni odlew forma jak i w warstwach wady oddalonych od powierzchni odlewu. W skład tych wydzieleń wchodzi: Zr w ilości około 40-50%, Fe (17-29%), Si (8,5-16,5%) oraz tlen w ilości 17-20%. Niektóre wydzielenia posiadają w widmie piki tylko od Zr i O, wskazując tym samym na obecność również tlenku cyrkonu w obszarach pomiędzy ziarnami SiO 2. Obserwowane wydzielenia z Zr posiadają różny kształt i wielkość. Analiza ilościowa przeprowadzona dla dowolnie wybranych obszarów ze strefy między ziarnani krzemionki (poza wydzieleniami z Zr) ujawniła duże zróżnicowanie w ich składzie chemicznym: Si (17-18% i 53-60%) i Fe (55-62% i 7-13%). W tych obszarach nie stwierdzono wysokiej zawartości Mn (max 2%), co świadczy o korzystnym oddziaływaniu powłoki ochronnej na przechodzenie Mn z ciekłej stali do formy. 4. W reakcjach pomiędzy ciekłym metalem a masą formierską istotną rolę odgrywa utlenianie Mn i reakcja pomiędzy MnO i SiO 2. Drugorzędną rolę stanowi utlenianie Fe, Al i udział tych tlenków w dalszych reakcjach zachodzących pomiędzy ciekłą stalą a masą formierską. Badania przeprowadzono w ramach grantu celowego nr 6T08 2005C/06563
259 LITERATURA [1] Elbel T., Stransky K., Havlicek F., Jelinek P.: Vznik sekundarni struskovitosti u ocelovych odlitku, Slevarenstvi 1987,no 9, p. 370-380, [2] Zych J.: Analiza wad odlewów wybrane zagadnienia; Wyd. AGH 1993, [3] Holtzer M.: Badanie mechanizmu i stopnia wzajemnego oddziaływania ciekłego staliwa Hadfielda i masy formierskiej.; Zeszyty Naukowe nr 142, Kraków 1992. SLAG GAS DEFECTS ON INDUSTRIAL CASTING OF CARBON AND ALLOYS CAST STEELS SUMMARY The article presents the results of the interaction of liquid steel with sand mixtures on industrial castings of carbon and alloyed cast steels. These defects are not the slag inclusions but oxides formed on the vertical surfaces of castings during oxidation of liquid steel in mold cavity. It is found that the control of atmosphere inside the moulds and introduced neutralized coatings provide to eliminations of investigated defects. Recenzował Prof. Marek S. Soiński