Ocena przydatności nowej metody odlewniczej nanoszenia metalicznych powłok ochronnych na żeliwne formy metalowe

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: Hutnictwo z. 11

1977 Nr kol. 518

Wiesław CHLADEK

Instytut Inżynierii Materiałowej Antoni MIKISZ

F.P.M. - Mikołów

OCENA PRZYDATNOŚCI NOWEJ METODY ODLEWNICZEJ NANOSZENIA METALICZNYCH POWŁOK OCHRONNYCH NA ŻELIWNE FORMY METALOWE

Streszczenie. W pracy przedstawiono nową metodę nanoszenia po­

włok metalicznych, powodujących znaczne przedłużenie żywotności od­

lewniczych form metalowych przy zwiększonych równocześnie własnoś­

ciach wytrzymałościowych warstwy wierzchniej formy.

1. Y/prowadzenie

Obserwując charakter zniszczenia kokil oraz proces powstawania pęknięć na jej powierzchniach, można stwierdzić, że o jej szybkim zużywaniu się decyduje wysokotemperaturowe korozyjne oddziaływanie płynnego metalu, jak również zmienność naprężeń cieplnych powstających przy zalewaniu, wybija­

niu odlewu oraz każdorazowym nanoszeniu izolacyjnych pokryć nietrwałych.

Jedną z perspektywistycznych, rozwijających się aktualnie metod zwięk­

szania żaroodporności i żarowytrzymałości, tj. żarotrwałości, jest stoso­

wanie odpowiednich, trwałych pokryć ochronnych w postaci warstw metalicz­

nych lub niemetalicznych. Wpływ tych warstw, w wysokich temperaturach, na trwałość kokili jest różnorodny i polega na wytworzeniu różnicy tempera­

tur pomiędzy powierzchnią pokrycia a powierzchnią styku warstwy przejścio­

wej z materiałem podłoża. Duży bowiem gradient temperatury w warstwie o- chronnej, zarówno w przypadku nieustalonych jak i ustalonych procesów ciepl­

nych, ogranicza wzrost temperatury materiału podłoża, co w znacznym stop­

niu zwiększa żarotrwałość danego elementu konstrukcyjnego [2].

Określenie gradientu temperatur w pokryciach ochronnych jest więc nie­

odzowne do obliczenia stanu naprężenia i odkształcenia panującego w samej warstwie ochronnej. Zastosowanie jednak znanych metod [3] obliczania spad­

ku temperatury w warstwie ochronnej napotyka na trudności z powodu nie­

znajomości parametrów charakteryzujących przewodnictwo cieplne, stałe ma­

teriałowe, własności mechaniczne itp. tej warstwy. Dane o tych wielkoś­

ciach można uzyskać na drodze doświadczalnej £4 , 5] •

146 W. Chladek, A. Mikisz

Ważnym efektem oddziaływania rozważanej warstwy ochronnej jest uodpor­

nienie kokili na dwa wzajemnie powiązane ze sobą zjawiska a mianowicie - zmęczenie i kruche pękanie. W czasie eksploatacji kokili - jak już wspom­

niano - występują zmienne naprężenia cieplne oraz obciążenia mechaniczne typu udarowego. Tworzywo kokili (najczęściej żeliwo Z125) z uwagi na małe własności plastyczne nie jest odporne na kruche pękanie. Należy przy tym zaznaczyć, że głównym zbiorowiskiem źródeł pęknięć jest powierzchnia oraz warstwa wierzchnia. Zostało to potwierdzone przez ciągłe lub okresowe zdej­

mowanie warstw wierzchnich ze zmiennie obciążanych elementów lub przez sło­

dowanie specjalnych powłok-[6]. Celem pracy jest przedstawienie wyników badań nad uzyskaniem metodą odlewniczą warstwy wierzchniej formy metalo­

wej o zwiększonej odporności na korozję wysokotemperaturową i innych cha­

rakterystykach mechanicznych i fizykochemicznych, zapewniającej zwiększe­

nie jej żywotności.

2. Metoda odlewniczego nanoszenia powłok

Dotychczasowe metody nakładania powłok ochronnych na kokile polegały głównie na napylaniu plazmowym tlenku glinu na ich powierzchnię. Uzyskiwa­

ne w ten sposób powłoki miały za zadanie wywołanie dużego spadku tempera­

tury i osłabienie tym samym naprężeń termicznych oraz ochronę materiału kokili przed korozją wysokotemperaturową. Wygląd struktury takiej powłoki wykonanej z AlpO^ przedstawia rysunek 1.

Metoda odlewnicza, opisana w ni­

niejszym artykule [l^|, polega na u- zyskiwaniu na powierzchni kokil war­

stwy o podwyższonych właściwościach mechanicznych i antykorozyjnych o- raz zwiększonej odporności na kru­

che pękanie w wysokich temperatu­

rach, podczas odlewania żeliwa do form o odpowiednio aktywowanych po­

wierzchniach. Aktywowanie form prze­

prowadzono, napylając na ich po­

wierzchnię przy pomocy palnika ace- tylenowo-tlenowego proszki stopów przeznaczonych na powłokę [j]. Pra­

widłowy wygląd aktywowanej powierz­

chni formy przedstawia rysunek 2. Jak na nim widać, ziarna proszku łąozą się ze sobą jedynie w punktach styku. Taka porowata budowa pokrycia umoż­

liwia wydostawanie się gazów z formy, natomiast połączenie poszczególnych ziaren proszku jest tak silne, że gwarantuje całkowite "przejście" powło­

ki z formy na wykonywany odlew bez obawy wypłukiwania z i a m proszku przez ,«■#> V . " M

Hys. 1. Struktura powłoki z AlgO^

uzyskiwanej na żeliwie szarym.Nie- traw. pow. 100x

Ocena przydatności nowej metody odlewniczej... 147

Rys. 2. Wygląd powierzchni formy odlewniczej po jej aktywacji napylanymi proszkami metalicznymi. Skaning pow. 500x

Rys. 3. Struktura powłoki ze sto- Rys. 4« Wygląd powłoki ze stopu pu kobaltu na żeliwie Z125.Traw.ni- miedzi na żeliwie Z125. Traw. nita-

talem pow. 100x lem pow. 100x

\

ciekły metal. Po zalaniu formy następuje więc stapianie jej pokrycia meta­

licznego, w wyniku czego otrzymujemy na powierzchni odlewu powłokę z me­

talu użytych proszków oraz warstwę stopową metalu proszków z żeliwem. Me­

toda ta różni się od dotychczas stosowanych metod odlewniczych tym, że

148 V/. Chladek, A. Mikiez

nie używa się spoiw ceramicznych, zaś połączenie ziarn pokrycia następuje na drodze stapiania i dyfuzji.

Otrzymane przy pomocy opisanego sposobu powłoki charakteryzują się podwyższoną wytrzymałością oraz odpornością na korozję w stosunku do meta- riału podłoża. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono powłoki uzyskane na żeli­

wie Z125 z proszków o składach chemicznych podanych poniżej.

7e% Cr% C% ff% Si% Co% Sn% N-i 55 Cu%

1,5 2J 0,5 3,2 13 3,3 reszta - - -

- - - - • - - - 8 1,5 reszta

Rys. 5« Wygląd powłoki ze stopów kobaltu po badaniach antykorozyjnych.

Skaning pow. 10ur

Proszki stopów kobaltu miały dotychczas zastosowanie w spawalniczych metodach nakładania powłok ochronnych na narzędzia narażone na korozję w wysokich temperaturach. Odporność na korozję powłok uzyskiwanych metodą odlewniczą może zilustrować zdjęcie zamieszczone na rysunku 5 przedstawia­

jące stan samej powłoki oraz warstwy przejściowej po badaniach antykoro­

zyjnych. Twardość tych powłok była równa 50-55 HRC.

Powłoki ze stopów miedzi miały niższą odporność antykorozyjną niż ze stopów kobaltu, korzystne ich oddziaływanie polegało na podniesieniu w y ­ trzymałości i ujednoliceniu struktury warstwy wierzchniej kokili, co w po­

łączeniu z istniejącymi w niej naprężeniami ściskającymi zapobiegało szyb­

kiemu rozprzestrzenianiu się pęknięć na powierzchni kokili. Strukturę ta­

kie,; wierzchniej 'warstwy oraz jej całkowitą grubość pokazuje zdjęcia za-

Ocena przydatności nowej metody odlewniczej.. 149

szczone na rysunkach 6 i 7» Zmianę wytrzymałości warstwy dyfuzyjno-prze- topowej w zależności od zawartości miedzi ilustruje wykres [s] zamieszczo­

ny na rysunku 8. Kokile przekazane do badań eksploatacyjnych miały powio-

łys. 6. Struktura warstwy dyfuzyjno-przetopowej powłoki ze stopu miedzi Traw. nitalem pow. 100x

Rys. 7. Powłoka ze stopu miedzi na żeliwie Z125. Mikroanalizator - CRMPO pow. 100x

ki o całkowitej grubości od 0,5 do 1 mm} wykazały one trwałość o 50% wyż­

szą od trwałości średniej, przy czym stan ich powierzchni po okresie ek­

sploatacji był dobry. Przyczyną ich wyłączenia z pracy i zdjęcia z ko­

kilarki były uszkodzenia mechaniczne, powstałe w płaszczyźnie podziału, powodujące zmianę wymiarów tolerowanych. Powierzchnia kokili pokrytej sto­

pem kobaltu wykazała w i ę k s z ą skłonność do p ę k a n i a n i ż powierzchnia kokili

150 W. Chladek, A» Mikisz

c£ 3 0 ta

26

2*

22

I

Rys. 8. Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa klasy Z125 w zależności od za­

wartości miedzi i grubości ścianek [8]

pokrytej stopem miedzi. Wskazuje to na konieczność prowadzenia dalszych badań w kierunku uzyskiwania warstw o dużej jednorodności struktury, dob­

rej plastyczności i wytrzymałości na zmienne oddziaływania termiczne.

3 . Wnioski

1. Proponowana metoda odlewniczego nanoszenia powłok metalicznych na ko- kile żeliwne charakteryzuje się prostotą i niskimi kosztami.

2. Połączenie uzyskiwanych powłok z materiałem podłoża ma charakter prze- topowo-dyfuzyjny.

3. Szczególnie korzystne jest, ze względu na niski koszt proszków, dużą jednorodność uzyskiwanej struktury warstwy stopowej i wzrost odpornoś­

ci na zmęczenie cieplne, stosowanie powłok ze stopów miedzi.

LITERATURA

[1] Sposób wytwarzania powłok z proszków metali na odlewach ze stopów że­

laza - Opis patentowy 179512.

[23 Dwierniakow W.S. i inni» Ocenka tiepłozaszczitnych swojstw pokryti po izmienieniu procznosti tugopławkich mietałłow. Zaszczitnyje wysokotem- peraturnyje pokrytia Izd. "Nauka" Kijew 1972.

[3] Awgustinnik A.I., Żurawkiew G.I.* Temperatura-ustojeriwyje zaszczitny­

je pokrytia Izd. "Nauka" M. - L str. 28 Kijew 1 9 6 8 .

[4] Boganow A.G., Pirogow J.A., Makarów L.G. 1 Żarostojkije pokrytia Izd.

"Nauka" Ł.-M., str.» 226, Kijew 1965*

[5] Pisarenko G.S. i inni» Temperaturoustojcziwyje zaszczitnyje pokrytia Izd. "Nauka" M.- L . » str. 50, Kijew 1968.

[63 Kocańda S.j Zmęczeniowe niszczenie metali WNT Warszawa 1972.

40

—— 25

—— 15

O mm

-*■— 4 30

Ocena przydatności nowej metody odlewniczej. 151

[7] Gawroński I., Janusz E . , Krajczy B.s Własności żeliwa szarego z do­

datkiem miedzi. Mechanika ZN Pol.SI. Nr 350-1973*

[8j Lamber T., Chladek W.s Metody spawalnicze i odlewnicze nakładania warstw wierzchnich z proszków stopów Ni-Cr-B-Si oraz Co-Cr-B-Si. Mate­

riały Sesji Naukowej Dnia Hutnika, Katowice 1974«

OLtEHKA nPHrOflHOCTH HOBOrO MET OJ], A I1AHECEHHH METAJIJIHCECKHX nOKPNTHft 9yryHHHX kokhjieK

P e 3 b m e

B p a ó o r e npeflCTaBJieHo h o b uS ueio,n H a H e c e H H H M e T a jiJiHqecKHx nojcpbiTHft, b h- 3U B a B m n x 3H a q H T e j i b H y B jiHKBHflanHB n o B e p x H o c T H H x n o p o K O B M a i e p n a j i a K O K H J i e S , npH yBejnmeHHŁIX aHTHK0pp03HQHHHX H XapOnpOTIHHX CBO{tCTBax COnpOTHBJieHHH.

AN ESTIMATION OP THE USEFULNESS OF A NEW MOULDING METHOD OF COVERING THE METALLIC PROTECTING COATS ON CAST IRON METAL MOULDS

S u m m a r y

A new method of the covering metallic coats causing a considerable eli­

mination of surface drawbacks in the material of metal mould with increa­

sed resistant anticorrosive and heatresisting properties, has been pre­

sented in the paper.