Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury. A. Pytel, S. Pysz Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków, Polska

. Prezentacja wyników badań dotyczy projektu Nr POIG.01.03.01-12-061/08 pt „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne” realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka w latach 2007-2013. Priorytet 1. Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Działanie 1.3.  

W artykule przedstawiono parametry opisujące warunki brzegowe i dynamikę zmian temperatury podczas stygnięcia odlewów w formie odlewniczej i eksploatacji wybranych odlewów, zwłaszcza odlewów masywnych. Zmęczenie cieplne materiałów pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury jest zjawiskiem występującym w szeregu kluczowych gałęziach przemysłu. Odlewy stosowane przemyśle metalurgicznym, ulegają szybkiej j destrukcji w wyniku naprężeń powstających w procesie eksploatacji. Problem poprawy odporności materiału na zmęczenie cieple jest ciągle aktualny.

Do badań wykorzystano odlewane płyty podkokilowe: z żeliwa szarego – żeliwa z grafitem wermikularnym Masa odlewu płyty około 4500 kg

Analiza odlewania płyt z żeliwa szarego Oznaczenie składu C Si Mn P S Cu Cr CE S1 3.35 2.05 0.7 0.2 0.1   4.051 S2 3.55 1.68 0.95 0.3 0.037 0.51 0.19 4.17 S3 1.7 1.35 0.02 0.05 4.11 S4 3.75 2.1 0.75 0.017 0.035 1.0 4.407 S5 3.94 1.5 0.015 0.49 0.17 4.438

W miarę wzrostu równoważnika węgla obserwuje się tendencję zmniejszania się wielkości komórek eutektycznych. Będzie się to również wiązało z ich ilością.

Zwiększenie wielkości równoważnika powoduje zwiększenie wielkości wydzieleń grafitu.

Wytrzymałość rośnie wraz z malejącym równoważnikiem węgla Wytrzymałość rośnie wraz z malejącym równoważnikiem węgla. Dla składu w którym równoważnik węgla jest duży i żeliwo jest zbliżone do składu eutektycznego wytrzymałość maleje gdyż dominuje struktura ferrytyczna. Dodatkowo na własność wpływa ilość i wielkość wydzieleń grafitu.

Analiza odlewania płyt z żeliwa wermikularnego Oznaczenie składu C Si Mn P S Cu Mo Mg W1 3,60 2,46 0,23 0,025 0,002 0,1 - 0,013 W2 3,90 0,4 0,028 0,007 0,71 W3 0.015 W4 0.025

W1 W2 335 MPa 405 MPa W3 W4 345 MPa 375 MPa 480 MPa

25 C Żeliwo szare Żeliwo wermikularne Duże przechłodzenie zmniejsza w większym stopniu energię swobodną a zarazem zmniejszają się odległości pomiędzy blisko uporządkowanymi grupami atomów fazy ciekłej. 25 C Żeliwo szare Żeliwo wermikularne

Postać grafitu - żeliwo szare Postać grafitu - żeliwo wermikilarne Gwałtowne zmniejszenie energii swobodnej układu (duże przechłodzenie) sprzyja powstawaniu grafitu o zwartej budowie o mniej zaostrzonych krawędziach w porównaniu z grafitem płatkowym w żeliwie szarym. Postać grafitu - żeliwo szare Postać grafitu - żeliwo wermikilarne

Odlew płyty z żeliwa szarego Odlew płyty z żeliwa wermikularnego Udział perlitu 40 % Udział perlitu 45 % Wytrzymałość ok. 180 MPa Wytrzymałość ok. 360 MPa Odlew płyty z żeliwa szarego Odlew płyty z żeliwa wermikularnego

Komputerowa symulacja rzeczywistych warunków pracy w celu określenia pola naprężeń w dużych odlewach pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Proces wlewania miedzi Płyta podkokilowa Wykonane odlewy płyt podkokilowych pracują w zmiennym polu temperatury, jako elementy oprzyrządowania do odlewania kokil z miedzi. Proces wypełniania kokili trwa około 240 sek. Po okresie krzepnięcia i stygnięcia czyli po czasie 120 do 180 min., boki kokili żeliwnej są podnoszone.

Taki rozkład temperatury generuje naprężenia Krzywa nr 2 Krzywa nr 5 W okresie około 30 do 50 min od zakończenia zalewania temperatura w kokili żeliwnej osiąga maksymalną wartość. Taki rozkład temperatury generuje naprężenia

Naprężenia w kierunku osi Y po 76 minutach od zalania w przekroju płyty

1. Przeprowadzono wstępne próby odlewania płyt podkokilowych o masie ok. 4100 kg z żeliwa szarego, poddanego procesowi wermikularyzacji. 2. Wykonano badania identyfikacji parametrów brzegowych procesu technologicznego w odlewni, takich jak: temperatura procesu odlewania płyt, dynamika zmian temperatury w formie odlewniczej w czasie stygnięcia odlewu, skład chemiczny łącznie z poziomem zawartości tlenu aktywnego, struktura i podstawowe właściwości mechaniczne żeliwa. 3. Obliczenia numeryczne odlewania płyt z żeliwa szarego oraz z żeliwa wermikularnego wykazała, że przy zbliżonej zawartości perlitu w strukturze w obu odlewach, wytrzymałość na rozciąganie płyt z żeliwa wermikularnego zwiększyła się o 100%. Zwiększa się również moduł Younga z 117 GPa do 160 GPa, co korzystnie wpłynie na parametry eksploatacyjne odlewu poddawanego cyklicznym zmianom kształtu. 4. Podczas pracy płyt podkokilowych maksymalne naprężenia rozciągające wynoszą średnio 140 MPa. Dla płyt z żeliwa szarego jest to 80% maksymalnego dopuszczalnego obciążenia, natomiast w przypadku płyt z żeliwa wermikularnego tylko 40%. 5. Przeprowadzona próba przemysłowa odlewania i eksploatacji płyt z żeliwa z grafitem wermikularnym bez szczegółowych badań rzeczywistych parametrów i analizy wykazała trwałość wyższą o około 40% od płyt z żeliwa szarego.