Seria: HU T N IC T WO z. 15 Nr kol. 546
Ta de usz LAMBER, W i e s ł a w C H L A D E K , Donat RENOWICZ, Je rz y OKRADNI Ins ty tut Inżynierii M at er ia łow ej
AN AL I Z A C ZY N NI KÓW DE CY DU J ĄC Y C H O TRW AŁOŚCI KOKIL W Y K O N A N Y C H Z ŻE LI WA Z125
S t r e s z c z e n i e . W pracy prz ed s ta w io n o czynniki d ecy duj ąc e o trwa- łości kokil żeliwnych, uwzg lę dni aj ąc dynamic zne odd zi ał y w an i e ud a rów cieplnych, a także zj awiska za c ho d zą c e w po dwy ż s zo n yc h t e mpe ra turach.
1. Wst ęp
Jednym z na ji s t ot n ie j s zy c h pr o bl em ów we ws pół czesnej technice jest ra
cj on a l ny dobór ma ter i a łó w na urządzenia en erg e t yc z n e i technologiczne p ra cu ją ce w po dwy żs zo n y ch temperaturach. Zł o ż ono ść pr o c es ó w za cho d zą c y ch w tych ma ter ia ła c h w czasie e ks p l oa t ac j i utrudnia w niektó ryc h przypa dk ach je dn o z na c zn ą i n te rp re tac ję zjaw isk decyd uj ący ch o żywotn ośc i urządzenia, powo du je tr udności w op rac o wa n i u op tym a l ny c h . rozwiązań konstr ukc yjn yc h oraz nowych te ch no l o gi i zw i ęk s za j ą cy c h ich trwałość. P rzy kła de m takiego urządzenia, w którym nie są pozn ane ca łk ow i c ie zjawiska za ch odz ące w cz a sie eksploata cj i, są kokile żeliwne. W czasie ich ekspl oat ac ji zachodzą pr oc esy g r a f i t y z a c j i , ut le ni ani a i odwęgla ni a powoduj ące powstawanie sz cze lin i pękni ęć w całym ob s za rze ciała oraz wp ł y wa j ąc e na proces pęcznienia żeliwa. Je dn o c ze ś ni e w wy niku ok re s o we g o kontaktu z ciekł ym metalem z m i e niają się wł a s no ś ci me cha ni czn e i fizyczne żeliwa, a duże gr a di en ty tem
pera tu r powo du ją w ys tę po wan ie zn acz n yc h na p rę ż e ń ci eplnych na pr ze kroju kokili. W i e l ok r ot n e powtar zan ie udaru cieplnego, po łączone ka żd or azo wo z chłod ze nie m, wywo łu je w ma ter ial e kokili zjawi sk o zmę czenia cieplnego. Wi
dać więc, że, chcąc zap roj ek t o wa ć wł aś ci w ą techn ol ogi ę wyt wa rz a ni a kokil, powin no się wziąć pod uwagę ws z ys tk ie w y mi e n io n e cz yn nik i de cyd uj ące o ich zuż yw a ni u się.
2. A na li za cz y nn ik ów wp ł yw a j ąc y ch na żywo tn ość kokil
2.1. Zm ę c zen ie cieplne
Z m ęc ze nie ciepl ne m at e ria łu ma wi el e cech pod obnych do zm ę cz eni a w y w o łanego dzi ał ani em zm i en ny ch pól siło wy ch ¡2], [ 3 j , ¡4], [ó]. Tak samo jak
przy zm ęczeniu mecha ni czn ym w wy ni ku pow tarzania się cykli cieplnych de
fekty sumuję się. Ch arakter tych zjawisk może być różny w zal eż noś ci od a m pl it ud y i c zę s tot li wo ści zmian temperatury. Zniszcz en ie może być z ap o cz ąt kow an e defektem sieci kr yst al ograficznej typu dyslokacyjnego, z wi ą zanym z koa gu la cję waka ns ów i zw ię ksz en ie m gęstości dyslokacji, do p ro wa
dz a jąc ym do powstania su bmi kropęknięć typu Griffitha, które rozwijając się dalej prowadzą do pęknięcia lub może zostać zap oc ząt ko wa ne defektami powsta ły mi wsku tek utleniania czy prze mia n struktu ral ny ch Ql], Zmienne po
le temperatur wyw ołu je odks zta łc en ia i od p ow i ad a j ąc y im pewien poziom n a
prężeń zależy od sprę żys to -p las ty cz nyc h w ła s no ści materiału. Ponieważ te wła sn ośc i zależą od temperatury, z n acz ny wp ł yw na zmęczenie cieplne bę
dzie miała różnica ekstr em al nyc h temperatur cyklu. Przy górnych temp era turach cyklu T max odkc zt ał cen ia trwałe istotnie za leżą od czasu i zwią zane są z pełzaniem i relaksacją oraz w przypadku rozważanego żeliwa Z125 z przemi an ami strukturalnymi. Przy dolnej tempe rat ur ze cyklu Tm in czas odgrywa mni ejs zą rolę, a niekiedy w ogóle można pominąć Jego wpł yw na o d ksz tałcenie trwałe. Deśli Tm a x » T min' t0 d *a 9órn eJ te mperatury cyklu zac ho dzi gw ał towna deformacja, która może powodować intensyw ny rozwój pęk
nięć i o dks zt ał ceń między ziarnami, c o jest ch a rak te ry sty czn e dla proce
sów pe łzania i długotrwa łe go pękania połączo ne go ze zja wi ski em dyfuzji, utleni an ia itp. Dla zachodzi przede wsz ys tki m deformacja i pękanie w e w n ą t r z k r y s t a l i c z n e , tak wi ęc przy dużych amplitudach dla każdego cyklu ci eplnego kolejno następują po sobie i nakładają się zjawiska zachodzące pr zy wy sokich i niskich te mperaturach |V).
W pr zypadku kokil żeliwnych, pra cujących w odlewniach zmech an izo wan yc h temper at ury ich powie rzc hn i wa ha ją się w granicach od 280-700°C. Na rys.
1 prz ed sta wi on o zdjęcie skaningowe po wierzchni bocznej szczeliny p ows ta
łej we wnę ce formy w czasie eksploatacji! zł om jest ch a rak te ry sty czn y dla zmęczenia cieplnego. W p ł y w po sz czególnych cz yn nik ów na zmęczenie cieplne jest trudny do analizowania. Wymag an e wła sno śc i ma teriału często mogą być sobie przeciwstawne, można Jednak przyjąć, że wy tr zy m a ło ś ć na zmęczenie cieplne będą podwy żs zał y ws zy stk ie czynniki zmni ej sz ają ce odkształ cen ia i nie powodujące za ni żenia korzystnych wła sn ośc i mec ha nic zn yc h i fiz yk och e
micznych materiału.
Z n ac zn y wp ły w na zmęczenie cieplne mają powłoki ochronne, które mogą odd ziaływać na wł as noś ci mec haniczne jak i termofizyczne wars tw y wi e r z c h niej. Podobnie duże zn ac zenie ma gładkuść powie rzc hn i formy. Badania pro
wadzo ne przez A. We roń s ki e g o (jBj wykazały, że zw iększenie gładkości po
wie rz chn i o dwie klasy spowodowało wzrost trwałości form o 2 5 % . Prowadzi to do wniosku, że trwałość form za le ży od po wierzchni i wła sn ośc i warstw y przypowierzchniowej materiału.
Rys. 1. Wy g l ą d powie rzc hn i bocznej szczeliny. Sk an in g pow. 3000x
2.2. Utlenia nl e
Odpo rn ość żeliwa na utlenianie ze wn ętr zn e i wewnęt rzn e Jest jedną z wa żn i e js z yc h cech de cy du j ą cy c h o jego p r zy da tn ośc i do wytwar zan ia kokil.
W żeliwie Z 125 grafit płatkowy ułatwia wni ka nie tlenu do wnętrza sto
pu. gdzie ut len ia ni u ulega zarów no osnowa met al ic z na jak i grafit.
Przes tr zen ie po w yp a lo nym graficie wy peł n i aj ą stałe pr od ukt y reakcji utleniania. ¿Jednocześnie z utleni an ie m zachodzi w żeliwie podczas e ks plo atacji proces grafityza cj i; ws p ół d z ia ł an i e tych p ro ce sów po woduje pęcz nienie żeliwa. Kon sekwencją zjaw isk a pęcznienia jest rozluźnienie str uk tury i osłabi en ie w ł as no ści m ec ha nic zn yc h materiału.
Dobrą odp orność na ut len ia ni e wykazuje żeliwo o równomiernie rozłożo
nym grafici e d r o b n o p ł a t k o w y m , ale ze względu na prze wod zen ie ciepła ko
rz ys tn i e js z y jest grafit grubopłatkowy. Na l eż a ło b y wobec tego tak dobrać technologię, aby uzyskać zró żni co wa nie wł asn oś ci materiału na przekroju
kokili, dające opt ymalne w ł as no ści eksploatacyjne. Bak widać, chcąc d o brać wł a ści wy m a te ri ał kokili, należy ustalić na stępujące czynniki:
a) pole temperatjjr i naprężeń w kokili wywołane kontaktem z ciekłym met a
lem ,
b) zmiany wł a sn oś ci m e ch an ic zny ch i fizycznych mat eriału kokili w zal eż ności od temperatury,
c) od porność na utlenian ie zewnętrzne i wewnętrzne.
d) prz em ian y st ruk turalne wyn ik a ją c e z ok re so weg o kontaktu z ciekłym me talem.
Wymaga to połączenia badań laborat or yjn yc h z badaniami pr z ep r ow a d za n y
mi w w ar u nk ach eksploatacyjnych.
3. Badania własne
Bako obiekt badań wy br ano kokile żeliwne do odlewania rusztowin. W a runki pracy tych kokil są na st ępujące: cz ę st otl iw oś ć zalewania kokili 1/240 cykl/s, czas przebywania odlewu w formie 15-20 8, temperatura za l e
wa ni a 1 2 5 0 - 1 3 5 0 ° C , średnia waga o dl ewu 2,16 kG. Schemat takiej kokili prz ed st a wi o no na rys. 2. El ementem kokili, który pracuje w najbardziej ni ek o r zy s tn y c h warunkach, jest układ wlewowy, który najdłużej styka się z płyn ąc ym ciekłym metal em i on też ulega na js zy bsz em u zużyciu. Na rys. 3 poka za no fragment układu wl e wo w eg o kokili wycofanej z eksploatacji. Pęk-
[ A — a___ a n J3
a
Rys. 2. Schemat kokili do od lewania rusztowin
n ię cia wido cz ne na rys. 3 układają się w y r a ź nie w p ła s zc zyz na ch pros to pad ły ch do osi u- kładu wlewowego. Chcąc wyjaśnić to zjawisko, w y z n a c z o n o naprężenia panu ję ce w układzie wle
wowym, przyjmujęc n a stę puj ąc e założenia. Oako model fiz ycz ny przyjęto pó ł p rze st rz eń spręży
stą na grz ewa ną na powier zch ni granicznej po wi er z c hn i ow y m źródł em ciepła o temperaturze T . W ch wil i początkowej przyjęto, że tempe
ratura po zostałego obszaru wy nosi T = 0. Przy
jęcie po wy ższ yc h założe ń wy nika z cech geome
tr yc znych kokili oraz z faktu, że warun ek ten od po wi ad a naj os tr z e js z ym warun ko m pracy ko ki
li, to zn aczy udarowi cieplnemu, który nastę
puje w chwili z etk ni ęc ia się ciekł eg o metalu z po wie r z ch n ią układu wle wo we g o [7j.
Napręże ni a wyz na c zo n e przy tych up ra sz cz a
j ąc ych z ał oż en iac h wystąpią jedy ni e w ki erun
ku osi układu w le w o we g o i będą określone wz o rem [5]
Ect T x + a x - a
S ijp— (arctg — — arctg — --- )
gdzie :
Rys. 3. Fragment znisz- ,, . , , , . J
czone go uk ładu wlewo we - X 1 ' X3 " w sp ó łr z ę dn e układu odniesienia,
go a - szerokość układu wlewowego,
oct - ws p ół c z yn n ik rozszer za lno ści cie
plnej , liniowej.
W i el k o ść n ap rę że ń będzie wp ro st proporc jon al na do wartości modułu Youn- ga i w s p ó ł c z yn n i ka c*t. Chcąc do kła dn ie wy zna c z yć wa r to ś ci naprężeń, na
leżał ob y uwzględ nić z mia ny tych wa r t o ś c i w yni ka ją ce z rozkładu temperatur na po wi er zch ni prz ekroju kokili. Za leż n o ść modułu Y o ung a od temperatury dla żeliw a Z 1 2 5 uży wanego do pr od ukcji kokil przedsta wio no w tablicy 1.
Tablica 1 Z a le ż no ś ć modułu Yo un ga od temperatury
Tempera tu ra
( ° c ) 20 300 600 800
M o du ł Younga
(kG/cm2 ) 1,52 106 0 , 86 106 0,39 106 0,35 106
Rm (kG/mm2 )
24 ,4 20,8 1 1 , 2 3 , 7
Mo du ł Younga maleje wraz ze wzrostem temperatury, co wp ły wa na o bni że
nie naprę że ń w warst wi e wi erz chniej, lecz j e dno cz eś nie maleje w yt r z y m a łość żeliwa R m , co zwię ksz a podatność mate ri ał u na zniszc zen ie o c ha r a k
terze mechanicznym.
W celu przepr owa dze ni a analizy wpływu przemian fazowych na trwałość kokil należy okre śli ć rozkład tempe
ratur o dp ow ia daj ąc y warunkom ek sp lo
atacji. W s tę p ne pomiary i analiza pola te mpe ra tu r w czasie pracy kokil przy następują cy ch założeniach:
a) modelem kokili jest płyta nie
skończ en ie długa o wym iarach jak na rys. 4,
b) pole temperatur na powierzchni x 3 = b od po wiadającej pła sz czy ź
nie podziału kokili jest funkcją x l*
c) zmiany temper atu r mają ch ar akter quasi-stacjonar- ny,
poz woliły na określenie funkcji rozkładu temperatur w następującej postaci:
Rys. 4. Model fizyczny kokili
T(>
x3>
n=l
X 3 Slnh Jfa-
.JT-b
sinh —
nXx sin
peratur na pr ze kroju kokili
Funkcja ta spełnia warunk i brzegowe przy odpowiednim doborze w s p ó ł c zy n n ik ó w K , które dobierano dla kokil żeliwnych słu żących do odlewania rusztowin. Wyniki ob li cze ń numerycznych ilustruje rys. 5 pr z ed sta wi aj ą
cy krzywe izoterm dla ch wi li czasowej, w której tem
peratura po wierzchni grzanej osiąga wart ość ma ks yma l
ną. Przedsta wi ono tutaj pole symetryczne wz g l ęd e m pła
szcz yz ny podziału kokili oraz płaszc zy zny x Ł = a/2.
3ak widać , te mperatury powyżej temperatur przemian fazowych żeliwa wys tę puj ą tylko w nie wielkich obsza
rach w w ar st wa c h przypow ie rzc hn io wyc h materiału.
Wykres d yl a to met ry czn y dla żeliw a 21 25 przed st a
wiono na rys. 6. Zw ię ksz en ie odporno śc i tych warstw poprzez prze sun ię ci e zakresu temperatur początku prz e
mian strukturalnych, zwięks ze ni e ich odporności na utlenianie, ob niżenie ws p ółc zyn ni ka rozszerzalności liniowej oraz zw ię ksz eni e w yt rz ym ało śc i w podwyższo-
Rys. 6. W yk res dy l a to m et r y cz n y dla żeliwa Z125
Rys. 7. Powłoka ze stopu m ie dzi na żeliwie Z125
nych temp er at ura ch prowadzą do podn ies ie ni a żyw ot no ś c i kokil. Badane ko- kile odlewane są w formach precyzyjnych, tak że ich p ow ier zc hni e robocze nie wyma gaj ą dodatkowej obróbki. Nał ożenie na nie metodą odlewniczą m e t a licznych wa rs tw ochronnych, spe łn iaj ąc yc h wyżej wy mie n i on e warunki, spo-
wodow ał o wzrost ży wot no śc i baz konieczności dodatkowej obróbki m ec h ani cz
nej i prz y zachowa niu wsz ys tk i c h zalet żeliwa Z1 2 5 takich jak dobra lej- ność i dobra przewod no ść cieplna. W p rz epr ow ad zan yc h badaniach nakładano powłoki ochronne ze stopów miedzi z cynę i niklem.
Wyglę d takiej powłoki pokazano na rysunku 7 i rysunku 8. Na zdjęciach widać grubość powłoki oraz strukturę w a rst wy przejściowej. Wstęp ne próby w y ka z a ł y wzrost żywotno śc i kokil, co przedsta wio no w tablicy 2. średnia ilość zalać podniosła się więc o około 50%. Akt ua lni e prowadzone sę dal
sze prace nad dobore m opt ymalnego sk ładu chemicz ne go stopu przeznaczonego na wy konanie powłok ochronnych.
I
Rys. 8. S tr u kt ura wa r st w y przejściowej
Tablica 2 Zesta wi eni e wy ni ków badania trwałości kokil
CL Rodzaj
kokili Ilość zalać
średnia ilość zalać na danej
kokilarce
Wzrost żywotności f % 3
i
2 3 ... 4 5"i
395 3861 2780 38.92
300 3331 2820 18.13
300 3504 3100 13,04 300N 6202 3400 82,4
5 300N 6202 3400 82,4
6 300N 4512 3220 40,1
7 300N 4512 3220 40,1
8
400N 5420 3480 55,79 300N 5420 3480 55,7
4. W ni os ki
1. D ec yd ują cy mi czynnik ami w p ł y w aj ą cy m i na p o dw yż sz eni e żywotno śc i ko
kil jest od por no ść na zm ęczenie cieplne i utlenianie.
2. Zm ę c zen ie cieplne wiąże się ze zjewis ka mi zachodzącymi wewnątrz struk
tury ma ter ia łu oraz polem na p r ęż e ń wy wo łan yc h gra di e nt e m temperatur.
3. W y r a ź n y w zr o6t żywotnoś ci kokil uzyskano, podnosząc trwałość warstw wie rz ch n ic h popr zez na kł ad a n ie metodą odl ew ni czą me ta li c zn y c h powłok o- chronnych.
LIT ER ATU RA
£l] Ba ra nów A.A. : Fa zovyje pr ev ras zc ze nij a i t er m o -cy kl ir ova ni je metał- łov. Izdat el stv o “Nauko va dumka", Kijów 1974.
£ 2 ] C o f f i n L. : Trans. ASM E nr 7, 1957.
[3] Fridman L . I , : K v op ro su do isliedovanii po vt or nyc h na grevov i ochłas- dienij. I zd at iel st wo "Ma sz ino strojenie" , Moskwa 1.972,
[4] Fridman I.B.: Me c h an i cz e s ki j e svoistva metałłov. M a s z i n o s t r o j e n i e , Mo
skwa 1974. g
£5] Nowack i W.s Z ag ad ni eni a termosprężystości. PWN, Wa r sz a wa 1960.
[6] Oding 0. t Vl i ja ni je pie re miennoj t em pe ra tur y na procznost metałła ło- patok gazov ych turbin. Cy kli c z es k aj a Procznost Me t ał ł o v 1962, Izd.
Ak. Nauk S S S R , s. 267.
£7] Praca ba dawcza Instytutu Inżynierii Ma t eri ał ow ej Pol it echniki ś l ą skiej : Ocena odporno ści m at e ri a ł ów na kruche pękanie po dd anych dz i a
łaniu zm ie nn yc h pól temperatur. Katow ic e 1976.
£8] W e r o ń s k i A . : An a li z a przemian s t ru kt ura ln yc h i mec han iz m pękania sta
lowych form pod wp ły we m zmę czenia ci eplnego w procesie odś rodkowego odl ew ani a rur. Praca habilitacyjna. Z e s z y t y Naukowe Po lit echniki ś w i ę tokrzyskiej. Zeszyt M 11. Ki elce 1976.
AHAJIH3 4 A K T 0 P 0 B , P H M IS W X 0 CIOftXOCTH KOKHJIEÍÍ H 3 rO T 0BJD3HHHX
H3 HyryHA zl25
P. e 3 10 m e
B paSoie npeflcTaBJieHH ijiaKtopu penajonae o ctoMkocth ttyryHHbix kokhjisíí y-aHiKEtax íHHaMH'-iecKOe aageTBite lepjumeoKjuc ynapoB, a laKxa as jishhh npoHC- xosamae b noBHmeHHbtx leMnepaxypax.
ANALY SI S OF FACTORS DECIDING AB O UT LIFE P ERI OO OF GREY CAS T IRON MO U LD S ZL25
S u m m a r y
In this paper we have pr esented the fsctors deciding about the life pe riod of g r ey cast iron moulds regarding the dynamic action of thermal shocks and phenomena taking place in elevated temperatures.
