Teoretyczne opracowanie warunków powstawania ziarnowych powłok odlewniczych

(1)

Z E S Z Y T Y NAUKOWE PO LITEC H N IK I Ś L Ą S K IE ] S e r i a : M ech an ik a z . 65

l

Jan in a M ARCINKOW SKA, Bogdan K U SZN IR In s ty tu t O d lew n ictw a

P o lite c h n ik a Ś lą s k a

T EO R ET Y C Z N E OPRACOW ANIE WARUNKÓW POW STAW ANIA ZIARNOWYCH POWŁOK O DLEW NICZYCH

S tr e s z c z e n i e : A rty k u ł p r z e d s ta w ia p ró b ą te o r e ty c z n e g o o p ra c o w a n ia w arunków p o w sta w a n ia z ia rn o w y c h pow łok o d le w n ic z y c h . W ynikiem p rz e p ro w a d z o n y c h r o z w a żań j e s t p rz e d s ta w io n a m a te m a ty c z n a z a le ż n o ś ć w ią ż ą c a w a ru n k i te rtn o fiz y c z n e p ow s ta w a n ia pow łok z w ła s n o ś c ia m i m a te ria łó w u ż y ty c h n a o d lew y .

1. W s tę p

W ra z z ro zw o jem te c h n ik i w z r a s t a z a p o trz e b o w a n ie n a odlew y o s p e c ja ln y c h w ła s n o ś c ia c h . C z ę s to w y ż s z e w ym agania s ta w ia s ię w y łą c z n ie w a r s tw ie p o w ie rz c h n io w e j e l e m entów . W zw iązk u z tym o p ra c o w a n o s z e r e g te c h n o lo g ii p o z w a la ją c y c h n a u s z l a c h e tn i a n ie p o w ie rz c h n i p r z e z n a k ła d a n ie p o w ło k . N ie w ą tp liw ie n a jk o r z y s tn i e js z ą m etodą n a n o s z e n ia pow łok n a c z ę ś c i o d lew an e j e s t m eto d a o d le w n ic z a , tó j e s t m etoda w y tw a rz a n ia pow łok b e z p o ś r e d n io w p r o c e s ie z a le w a n ia fo rm y .

Idea w y tw a rz a n ia pow łok o d le w n ic z y c h je s t sto su n k o w o p r o s t a , jed n ak b a rd z o tr u d n e je s t te o r e ty c z n e u ję c i e z a g a d n ie n ia . T r u d n o ś c i te o r e ty c z n e g o o p ra c o w a n ia z a g a d n ie n ia z w ią z a n e s ą z d u ż ą ilo ś c i ą w z a je m n ie p o w ią z a n y c h z ja w is k fiz y c z n o -c h e m ic z n y c h z a c h o d z ą c y c h w p r o c e s i e p o w sta w a n ia p o w ło k .

T e o re ty c z n e o p ra c o w a n ie p r o c e s u p o w sta w a n ia pow łok

P ro w a d z o n e w In s ty tu c ie O d le w n ic tw a P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j [l] p r a c e n a te m a t w y tw a r z a n i a m eto d ą o d le w n ic z ą tr u d n o ś c ie r a ln y c h w a rs tw sto p o w y ch n a o d lew ach p o z w o liły n a d o b ó r w y jśc io w y c h m a te ria łó w do t e j te c h n o lo g ii. S tw ie r d z o n o d u ż ą p r z y d a tn o ś ć w tym z a k r e s ie stopów F e C rC z a w ie r a ją c y c h z n a c z n ą ilo ś ć w ęglików chrom u ja k te ż w ę g lik a w o lfram u W C . T a k i d o b ó r m a te ria łó w / F e C r C , W C / n a po w ło k i z d e te rm in o w a ł p e n e tr a c j ę ja k o w io d ą c e z ja w is k o w p r o c e s ie p o w sta w a n ia pow łok n a o d lew ach ż e liw n y c h . W c e lu a n a lity c z n e g o u ję c ia z a g a d n ie n ia d o b o ru w aru n k ó w te c h n o lo g ic z n y c h w y tw a rz a n ia w spom nianych pow łok p o słu ż o n o s ię p rz y to c z o n y m p r z e z Longę [2] m odelem W ie jn ik a .

_______1978 N r k o l . 569

(2)

208 ) . M a r c in k o w s k a . B . K u s z n ir

M odel ten d o ty c z y ilo śc io w e g o u ję c ia p ro c e s u s ty g n ię c ia m etalu w c z a s ie z a le w a n ia f o r m y. R y su n ek 1 (Ż Jp rzed staw ia k a n a ł form y p ia s k o w e j. K an ał te n za p e łn io n y je s t ciekłym m etalem p r z y d an y ch w a ru n k a c h i n a s tę p u ją c y c h z a ło ż e n ia c h :

T - te m p e r a tu r a m etalu p r z y w e jśc iu do kan ału

Z A L

To - p o c z ą tk o w a te m p e r a tu r a form y - p rę d k o ś ć p ły n ą c e g o m etalu F - p o w ie rz c h n ia p r z e k r o ju k an ału

R y s . l S ch em at do a n a lity c z n e g o u ję c i a p r o c e s u s ty g n ię c ia m etalu w c z a s i e z a

le w a n ia form y

a / n ie ru c h o m y u k ła d w s p ó łrz ę d n y c h b / ru ch o m y u k ła d w s p ó łr z ę d n y c h

- m e ta l p ły n ie ze s t a łą p rę d k o ś c ią

- k a n a ł p o s ia d a s ta ły p r z e k r ó j n a c a łe j d łu g o ś c i

- m e ta l j e s t na ty l e p r z e g r z a n y , ż e w t r a k c i e z a le w a n ia fo rm y n ie k rz e p n ie

- c ie p łó p rz e p ły w a ty lk o w k ie ru n k u p ro s to p a d ły m do ś c ia n k i k a n a łu z a ró w n o w m e ta lu i w f o r m ie .

P o n a d to o z n a c z o n o p r z e z :

- te m p e r a tu r ę w y d zielo n e g o w s tr u d z e ru c h o m e g o ele m e n tu o s z e r o k o ś c i dz Z - d r o g ę c a łk o w itą p r z e b y tą w c z a s i e l i p r z e z c z o ło m etalu

z - o d le g ło ś ć ro z w a ż a n e g o p r z e k r o ju s t r u g i od c z o ła m e t a lu .

Ilo ś ć c ie p ła dQ ja k ą o d d a je w c z a s i e d t p r z e z p o w ie rz c h n ię k o n ta k tu z fo rm ą w y  d z ie lo n y w s tr u d z e ele m e n t dz m ożna z a p is a ć :

d Q - ° ° o d / ^ W d F l d ^

^{/1 /}

(3)

T e o re ty c z n e O D rn rn y « n ie w arunków 209

W c e lu u n ie z a le ż n ie n ia w tr a k c i e o b lic z e ń w sp ó łc z y n n ik a w n ik a n ia c ie p ła eZcv,, od c z a s u z a ło ż o n o , ż e z czo łem m etalu z w ią z a n y je s t ru ch o m y u k ła d w s p ó łr z ę d n y c h .

J e d n o c z e ś n ie w c z a s i e d ? ilo ś ć c ie p ła elem en tu dz z m n ie js z y s ię o w ie lk o ś ć

d Q - - d Y j ^ C j d [ T j - T Z p] 121

g d z ie : d - o b ję to ś ć elem entu d F j - p o w ie rz c h n ia elem entu

o ^ - m a s a w ła śc iw a m etalu w s ta n ie ciekłym C * - c ie p ło w ła ś c iw e elem en tu w s ta n ie ciekłym P o ró w n u ją c w y ra ż e n ie 1 i 2 o trz y m u je s ię

“ o d l l T l - V d F l d£' - - i V i C l ' d [ T l - T 2p>/! - d M l C 1

■! ( r , - r 2 [ ]

o z n a c z a ją c

o trz y m u je 9ię

K odl d F 1 = d V l ? i c l

T 1 - T 2p - V ,

d V l

- - A ć f / 3 /

V

P o c a łk o w a n iu ró w n a n ia 3 o trz y m u je s ię

l n U ^ - . A ^ + C K I

S ta łą c a łk o w a n ia z n a jd u je s i ę z w a ru n k u p o c z ą tk o w e g o . W c h w ili t" = Z / elem en t z n a jd u je s ię u w lotu do k a n a łu i je g o te m p e r a t u r a ■= T ^ Al

s tą d

C = l n ^ Z A L - T 2p) + A £T o z n a c z a ją c

T Z A L ■ T 2p = ^ ZA L

(4)

210 1 .M a rc in k o w s k a , B .K u s z n ir

C = , n ^ Z A L + A 63- P o p o d sta w ie n iu s t a łe j C do A u z y s k u je s ię

ln l T 1 = In l3 r z A L + A ^ - A ?

l n t f x = l n ^ Z A I = a ( £ - l )

-

?)

tfZ A L

1L L - = e ‘ A (6 - “ ^ / 5 /

^ Z A L

Ze w z o ru 5 m ożna o b lic z y ć te m p e r a tu r ę w danym p r z e k r o ju s t r u g i po u p ły w ie c z a s u / n p . c z a s u z a le w a n i a /.

W zó r 5 [2] p o s łu ż y ł z a punkt w y jś c ia w p r ó b ie te o r e ty c z n e g o u ję c i a z a g a d n ie n ia do b o ru w a ru n k ó w te c h n o lo g ic z n y c h p r z y w y tw a rz a n iu pow łok o d le w n ic z y c h z F e C rC i WC w s z c z e g ó ln o ś c i, a w o g ó ln o ś c i z m a te ria łó w z k tó r y c h p o w s ta ją p o w ło k i o d le w n ic z e g łó w n ie w w yniku z ja w is k a p e n e tr a c ji . W tym c e lu p o c z y n io n o n a s tę p u ją c e z a ło ż e n ia i p r z y ję to p o n iż e j p r z e d s ta w io n e o z n a c z e n ia :

- p e n e tr a c ja j e s t dom inującym _zjaw lskiem w p r o c e s i e p o w sta w a n ia pow łok i jak o ta k a ma d e c y d u ją c y w pływ n a p r z e b ie g p r o c e s u te c h n o lo g ic z n e g o

- p r z e g r z a n y m etal p e n e tr u je w s k r o ś w a r s tw ę m a te r ia łu z ia r n is t e g o z e s ta łą p r ę d k o ś c ią w - w ś r

- p r z e k r ó j p o r m a te r ia łu p o ro w a te g o j e s t s ta ły - p o r y / k a p i l a r y / są p ro s to lin io w e

- c ie p ło p rz e p ły w a ty lk o w k ie ru n k u p ro s to p a d ły m do ś c ia n k i k a p il a r / p o r / z aró w n o w m etalu p e n e tru ją c y m ja k i w p e n e tro w a n y m p o k ry c iu form y

T j - te m p e r a tu r a elem en tu dz m etalu p e n e tr u ją c e g o

To . - te m p e r a tu r a p o c z ą tk o w a p e n e tro w a n e g o p o k r y c ia form y

•¿p

T _ . te m p e r a t u r a m e ta lu c ie k łe g o p r z y w e jś c iu do k a n a łu k a p il a r y

Z A L

P r z e p e n e t r o w a n ie c a łe j g r u b o ś c i z ia rn o w e g o p o k r y c ia w n ęk i fo rm y w ym aga zac h o w a n ia p r z e z s t r u g ę m e ta lu c ie k łe g o o d p o w ie d n ic h w aru n k ó w c ie p ln o - f iz y c z n y c h . I n te re s u ją c y m j e s t z a c h o w a n ie ty c h w a ru n k ó w w m ie js c u d e c y d u ją c y m o p e n e t r a c j i , a w ię c w c z o le m e ta lu p e n e tr u ją c e g o . W zw ią z k u z tym z a k ła d a s ię z = 0 , a p r z y ję ty do ro z w a ż a ń w z ó r 5 u p r o ś c i s i ę i p rz y jm ie p o s ta ć

(5)

T e o re ty c z n e o p ra c o w a n ie w arunków 211

T i ’ T ? A T '

=E_ . e ' A * / 6 /

T Z A L ' T 2 p

Ze w zglądu n a ja k o ś ć w y tw a rz a n y c h pow łok te m p e r a tu r a n ie m oże być n iż s z a od te m p e r a tu r y tz w . le jn o ś c i z e ro w e j t j . te m p e r a tu r y w k tó r e j m e ta l c ie k ły t r a c i zd o ln o ść p e n e tro w a n ia [3].

L e jn o ść z e ro w a wg G i r s zow ie z a [3] p o ja w ia s ię z c h w ilą ,g d y c ie k ły m e ta l / s t o p / k rz e p n ą c y w z a k r e s i e o d d a 20 % c ie p ła k r y s t a l i z a c j i . N a to m ia st m e ta le c z y  s te i sto p y e u te k ty c z n e t r a c ą sw o ją le jn o ś ć po oddaniu około 80 % c ie p ła k r y s t a l i z a c j i .

T e m p e r a tu ra T2^ jak o te m p e r a tu r a p o c z ą tk o w a m a te ria łu z ia r n is te g o a w ięc te m p e r a t u r a w m om encie r o z p o c z ę c ia s ię p r o c e s u p e n e tr a c ji wg [6] n ie m oże być m n ie js z a od około 0 , 8 T g m etalu c ie k łe g o . K o n ie c z n y do ró w n a n ia 6 c z a s p e n e tr a c ji m etalu c i e k łeg o w m a te r ia ł p o ro w a ty m ożna w y lic z y ć z p rz e d s ta w io n e g o w z o ru 8 [4].

P r z e d s ta w io n y p o n iż e j w z ó r 8 u w z g lę d n ia w ie lk o ś ć i k s z t a łt p o r p o p rz e z efektyw ny p ro m ień k a p il a r y r ^ ^ o r a z w sp ó łc z y n n ik z a w iło ś c i k a p ila r y b . W zó r ten w ią ż e g łó w n ie c h a r a k t e r y z u j ą c e p rz e p ły w y w m a te r ia ła c h p o ro w a ty c h , p o m ija ją c w ogóle w a ru n k i t e r m iczn e i ś c i ś l e z w ią z a n e z nim i c e c h y m a te ria ło w e / poza^M i £ / tw o rzy w k tó ry c h d o ty c z y z ja w is k o p e n e t r a c j i .

^ 3/U.b P W ± P k a p P w ± p k a p 1

r E F S 8 P 8 n P — + P „ . t , -f> f?h " J

/

⁸

/

g d z ie : b - w sp ó łc z y n n ik z a w iło ś c i p o r r - efe k ty w n y p ro m ie ń p o r

b r

h - p r z e p e n e tr o w a n a g r u b o ś ć m a te r ia łu z ia rn o w e g o

^ - g ę s to ś ć m etalu c ie k łe g o g - p r z y s p ie s z e n i e z ie m sk ie P j ^ p - c iś n ie n i e k a p ila r n e

P - c iś n ie n i e w ypadkow e P = P + P

1 W W M

P ' r ó ż n i c e c iś n ie n ia a tm o s fe ry c z n e g o i c iś n ie n ia n ad p ró b k ą [ 5 |, P j^ - c iś n ie n i e m e ta lo s ta ty c z n e

P r z e d s ta w io n e ró w n a n ie 6 s p r z ę g a c e c h y m a te ria ło w e tw o rz y w sto so w a n y c h n a o d lew y z k o n iecz n y m i d la u z y s k a n ia z ia r n is t y c h pow ło k o d le w n ic z y c h w a ru n k a m i te r m o fiz y c z - ny m i.

C e c h y m a te r ia ło w e u w z g lę d n io n e s ą p r z e z c z a s p e n e t r a c j i d* o r a z w ie lk o ś ć A .

(6)

212 J . M a r c i n k o w s k a , B . K u s z n i r

W ym ienione w ie lk o ś c i ( ? , A ) są o k r e ś lo n e w fu n k c ji s k r a jn e g o k ą ta z w ilż a n ia m a te r ia łu z ia rn o w e g o m etalem p e n e tr u ją c y m , n a p ię c ia p o w ie rz c h n io w e g o c ie k łe g o m e ta lu , p o ro w a to ś c i m a te ria łu p e n e tr o w a n e g o , w sp ó łc z y n n ik a le p k o ś c i d ynam icznej c ie c z y , r o d z a ju o ś r o d k a p o ro w a te g o , k s z ta łtu z ia r n a i jeg o ś r e d n ic y , g ę s t o ś c i m etalu c ie k łe g o , c ie p ła w ła śc iw e g o m etalu p e n e tr u ją c e g o , w sp ó łc z y n n ik a w n ik a n ia c ie p ł a . T e sam e p a - r a m e tr y i i A u w z g lę d n ia ją ta k ie w a ru n k i fiz y c z n e is to tn e d la p r o c e s u p o w sta w a n ia p o o- w łok ja k w a ru n k i c iś n ie n io w e , g łę b o k o ś ć w n ik a n ia m a te r ia łu p e n e tr u ją c e g o /g r u b o ś ć w a rs tw y p e n e tr o w a n e j/ u ło ż e n ie z ia r n m a te ria łu p o ro w a te g o , k s z ta łt i ś r e d n ic ę p o ró w . W aru n k i te r m ic z n e o k r e ś lo n e są p r z e z te m p e r a tu r ę z a le w a n ia , te m p e r a tu r ę p o c z ą tk o w ą m a te ria łu z ia rn o w e g o k o n ie c z n ą d la p r z e b ie g u p r o c e s u p e n e tr a c ji o r a z te m p e r a tu r ę le j n o ś c i z e r o w e j.

Rów naniem 6 m ożna ró w n ie ż o p is a ć n ie k o r z y s tn e w p ra k ty c e o d le w n ic z e j z ja w is k a p e - n e t r a c j i c ie k łe g o m etalu w m a s ę f o r m ie r s k ą . I

LITER A TU R A

1 . S p ra w o z d a n ie z p r a c y n a u k o w o -b a d a w c z e j p t . "O p ra c o w a n ie m a te ria łó w do p r o c e su te c h n o lo g ic z n e g o w y tw a rz a n ia powloK m eto d ą o d le w n ic z ą " In s ty tu t O d lew nictw a P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j 1976

2 . LONGA W . : " K rz e p n ię c ie odlew ów w fo rm a c h p ia s k o w y c h " 1973

3 . P r a c a z b io ro w a pod r e d a k c ją JURY S . : " T e c h n o lo g ia to p ie n ia i o d le w a n ia s t a li w a ” / c z . I 1978 - p rz y g o to w a n a do d r u k u /

Ą . SO LOW IEW W .P . * in n i: "O k in e ty k ie p ro n ik n o w ie n ia m e ta llic z ie s k ic h ra s p ła w o w w k a p illia r n o - p o r i s ty j e m a t e r ia ły " . I z w ie s tia W y ższy ch U czieb n y ch Z aw ied en i - C z e r n a M e ta lu r g ia N r 7 1969

5 . ACHM IETOW G . S z . i in n i: " I s s lie d o w a n ie p ro n ik n o w ie n ia m e ta llic z ie s k ic h ra sp ła w o w w k a p illia r n o - p o r i s t y j e m a te r ia ły " I z w ie s tia W y ższy ch U czie b n y c h Z a w ie d ie n i - C z ie m a M e ta lu r g ia N r 11 1968

6 . SOŁO W IEW W .P . i in n i: " P r o p itk a czugunem i s ta lju L ie g tr u ju s z c z ic h p a s t "

L itie jn o je P ro iz w o d s tw o N r 2 1972.

T H E O R E T IC A L S E L E C T IO N O F CO N DITION S FO R PROD UCTIO N O F P O W D E R -T Y P E C O M P O S IT E C O A TIN G S ON C A S T IN G S -

S u m m a r y

T he p a p e r p r e s e n ts an a tte m p t a t t h e o r e ti c a l s e le c tio n o f c o n d itio n s f o r fo rm a tio n o f c o m p o site p o w d e r c o a tin g s on c a s t i n g s . A m a th e m a tic a l c o r r e l a t i o n w a s d e r iv e d b etw een th e r m o p h y s ic a l c o n d itio n s o f fo rm a tio n o f th e c o a tin g s and p r o p e r t i e s o f th e m a t e r i a ls u s e d f o r th e c a s t i n g s .

(7)

T e o re ty c z n e o p ra c o w a n ie w arunków 213

TEOPETMIECKAfl PA3PAE0TKA yCJIOblitt 0EPA30BAHEH AHTE0HUX 3EPHHCTUX IlOKPblTHtt

P 8 3

b m

e

B C T a i B e n a e T C H T e o p e u m e c n a H n o n u T K a p a a p a d o T K M y c j i o B H B o o p a s o B a m w

3 e p H H C T Ł i x j i H T e f t H H X n o K p b i T u f t . P e a y j i B T a T o u H B J i f l e T C H n p e j y i o a c e H H a H i i a T e u a T H -

t i e c K a n a a B H C H u o c T B , c b h 3 U B a B i u a n T e p M o $ H 3 i m e c K i ! e y c j i o B M H o 6 p a 3 0 B a n H H n o -

KpUTHtt CO CBOtiCTBaMH liaTepHaJIOB ĄJ1H OTJ1MBOK.