Wpływ czynników technologicznych na chropowatość powierzchni odlewów z żeliwa szarego

ZESZ/Ti jiAUKGWE P OL IT ECHNIKI ¿L^Ó K IE J _____________________________________1975

Seria: ME CH AN IK A z. 56 Nr kol. 437

T ad eu sz WA RC H AL A

Instytut Te c hn o l o g i i Me tali lolitechniki C zęstochowskiej

W P Ł Y W C Z Y N N I K Ó W T E C H N O L O G IO ZN YC H \ NA C H R O P O W A T O Ś Ć P O W I E R Z C H N I ODLE W ÓW Z ŻELIWA SZAREGO

S t r e a z c z e n i e . W pracy p rz e ds t a w i o n o w yniki b a d a ń w pływu niektó- r y c h c z y n n i k ó w t e c h n o l o g i c z n y c h n a c h r o po wa to ś ć powierzchni m a ły ch o d l e wó w żeliwnych. B a d an i a p rz e pr o w a d z o n o w oparciu o s t at ys t yc zn ą me todę p l a n o w a n i a d o św ia d c z e ń ek st remalnych. S twierdzono istotny w p ł y w te m pe r a t u r y zalewania, twardości formy oraz w s p ó ł d z i a ł a n i a o- bu tych c z y n n i k ó w na c h r o po wa to ś ć powier zc h ni odlewów. W b a d a ny c h w a r u n k a c h m e stwi er d zo no is to tn eg o wpływu czasu z al ewania i c i śn ie ­ n ia s t a ty c zn eg o żeliwa.

1. W stęp

G e o m et r ia powier zc hn i surowej odlewu stanowi istotny p r o b l e m t ec hn i c z ­ n o- ek onomiczny, n a b i e r a j ą c y coraz w i ę k s z e g o znaczenia. Z t y c h w z g l ę d ó w za­

g ad nieniu c h r o po wa to ś ci powi e rz ch ni o d le wó w poś w ię ca się sporo uwagi. Re­

z u l t at em jest dość o b s z er n a literatura, także p o ls ka .obejmująca swym zakresem w s z y s t k i e wa żn i e j s z e czynniki techn o lo gi cz n e. Mimo to nie zawsze j esteśmy w stanie przewidzieć, jak k on kr e t n i e ks zt ał t o w a ć się będzie chro­

powatość powie rz c hn i o d le w ów prz y o k r e ś l o n y c h zm ia na c h ty ch czynników, sz c zególnie pr zy k o m p l e k s o w y m ic h oddziaływaniu.

2. B a d a ni a w ł a s ne

N i n i e j s z a praca za i ns p i r o w a n a zos ta ł a potrze b am i jednej z odlewni że­

liwa, produkującej o dlewy małe i ci e nk oś ci e nn e. W planie pracy przyjęto badanie w p ł yw u n a s t ę p u j ą c y c h c z y n n i k ó w na chro p ow at oś ć p o w ie rz ch n i od l e­

wów:

- gru bo ść ścianki odlewu: g w mm - x . , - t e m p e r a t u r a za l ew an ia formy: T z w C - Xp, - t wardość formy: Tw w °C - Xj,

- czas zal ew a ni a formy: t w s - x4 , - ci ś nienie statyczne: H w c m - x^.

y * ,

W ba d aniach u c z e st ni cz y ł m g r inż. K r z y s zt of Kroi

1 0 6 T a d e u s z W a r c h a l a

Wa rt o śc i liczbowe c z y n n i k ó w p rzyjęto w g r a n i c a c h i nt er e s u j ą c y c h o d l e w n i ę ! m o ż l iw yc h do o si ąg ni ę ci a w jej wa r un k a c h . Jako k r y t e ri um ocenia j ąc e wp ły w c z y n n i k ó w zmiennych, przyjęto, zgodnie z P N - 6 7 / H - 8 3 1 4 1 , średnie ar y tm e t y ­ czne od ch y le ni e profilu od linii średniej - RQ w ^ m. Zadanie było o tyle łatwe, że st os ow a ny w odlewni pr oces t echnologiczny, o p arty n a d a ny ch li­

t e r a t u r o w y c h i doś wi a dc ze ni u własnym, znajdował się w o bszarze e ks tr e m a l ­ nym. C hodziło tylko o określenie, które czynniki w ja ki m stopniu odbi ja ją się najistotniej n a ch ro p owatości powier zc h ni odlewów. Z tyc h w z g l ę d ó w za st o so wa no m etodę p l a n o w a n i a d o ś w i a d c z e ń e ks tr e m a l n y c h [&], przyjmując

e 5-“ 2

ć w ie rć po w ta rz an i e typu 2 , d la którego ef ekty liniowe o cenia się łą cz ­ nie ze w s pó ł d z i a ł a n i a m i pierwszego rzędu:

x .j — ^ 2 ^4- ^ — ^*2 ^"3 *

Ł ączna i lo ś ć p o m i a r ó w p o d s t a w o w y c h dla przyjęt eg o planu w y n o s i ł a N = 8.

W tabl ic y 1 p rz ed s t a w i o n o macierz planowania, z z a z n ac ze ni e m wylosowanej kolejn oś ci p o m i a r ó w oraz p rz yj ę t y c h p o z i o m ó w zmian b a d a n y c h czynników.

W p ro g ra mi e b a d a ń założono także sprawdzenie, czy i w j a k i m stopniu o chro­

powatości powi e rz ch ni odlewu decy du je jej po łożenie w z g l ę d e m w l e w ó w dopro­

w a d z a j ą c y c h oraz p ł a s z c z y z n y pod z ia łu (góra-dół). Z tego w z gl ę du wybr an o 4 po la p omiarowe, oznaczone odpow ie d ni o n a rys. 1 formy:

A D - pole po mi arowe n a dolnej powi er zc h ni odlewu, położone w pobliżu w lewu doprowadzającego,

B D - pole po mi arowe n a dolnej powi e rz ch ni odlewu, p o ł oż on e z da la od w le wu doprowadzającego,

A G - pole p o mi arowe n a górnej p o w i e r z c h n i odlewu, poło żo ne w pobliżu w lewu doprowadzającego,

B G - pole po m iarowe n a górnej powi e rz ch ni odlewu, poł o żo ne z dala od wlewu doprowadzającego.

Rys. 1. Szkic formy odlewniczej

Macierz planowaniatypu

W p ł y w c z y n n i k ó w t e c h n o l o g i c z n y c h n a . .

T a d e u s z W a r c h a l a

K a ż d a fo rm a (rys. 1), w y k o na na z mas y formierskiej pobranej ze s tanowiska r oboczego, p o s i a d a ł a 4 gniazda, do k t ór yc h w kładano kształtki o w y m i a r a c h i Pb i h = 50 mm.

K sz ta ł tk i ma jące odtwarzać n e g at y w badanej powierzchni odlewu, w y ko ny w an o ze stosowanej przez odlewnię m a s y formierskiej, odświeżając ją nastę pu ją ™ c./mi dodatkami :

- o i a se k k w a r c o w y 1 K

0

16

0

20

0 , 1 0

-

o e n t o n i t

- pył w ę g l a k am ie n ne go - 0 , 5 ® (ciężarowo),

- w o d a - 3 , 5 ® (ciężarowo),

Całkowity czas m i e s za ni a w laboratoryjnej mi e szarce krążnikowej wyno si ł 8 min. Po w y m i e s z a n i u masę p rzesiewano przez sito o oczkach 4 x 4 mm. Tak p r zy go to w an a m a s a w y k a z y w a ł a n as tę pu j ąc e wł as ności technologiczne:

'' ' w / 2

- w y t r z y m a ł o ś ć n a ściskanie - R = 0,4 - 0,45 k G / c m , - p r z e p u s z c z a l n o ś ć - Pw = 80 cm^/G.min, - z aw artość w i l go ci - w = 3 - 4®.

Zagęszczanie k s z t a ł te k odbywało się n a p r z y s t o s o w a n y m ubijaku laboratoryj­

n y m typu A-62. R ó ż n y s t o pi eń zag ęs zc ze n ia masy uzyskiwano przez zmianę i- lości u d e r z e ń i do b ór ilości masy. T w a r d o ś ć p o w i e rz ch ni o wą kształtki od s tr on y po ds ta w ki u b i j a k a m ierzono tw ar d o ś c i o m i e r z e m typu ŁTw.

P l a n ow a ny czas z a l e w an ia o siągano przez dobór przekroju w l e w ó w d oprowadza jących. Ci śn ienie statyczne zmieniano przez stosowanie g ó r n yc h skrzynek f o r m i e r s k i c h o odpowiedniej wysokości.

F or my zaley/ano żeliwem, zawierającjrm przeciętnie:

3 ,45® C; 2 , 7 5 ® Si, 0 , 5 7 ® Mn; 0, 40 ® P; 0 ,1 2 ® S.

T e mp er at u rę z a l e w an ia m ierzono t e r m o p a r ą z an ur zeniową Pt=RhPt ze w s k a ź ­ n i k i e m p r o f i l o w y m k l a s y 1,5, o zakresie 0~1600°C. Wybijanie o d l e w ó w z form od by wa ł o się po upływie jednej g o d zi ny od chwili zalania. Odlewy o- c zyszczone ręcznie, pr zy p o m oc y drucianej szczotki, aby nie nar us z yć s ta­

nu powi er zc h ni s u r o w e j .

P omiaru ch ro po wa t oś ci dokonywano w k a żd y m polu (AD;BD;AG;BG) przy po­

mo c y g ł a d k o ś c i o m i e r z a typu SL-2, zgodnie z P N - 6 7 / H - 8 3 1 4 1 . Jako w y n i k k o ń ­ cowy przy jm ow an o średnią a r yt me t y c z n ą z t rz e ch p o m i a r ó w R Q dla danej po­

w ie rzchni

n =2 0

(Yi - y) R a = _--- fi m,

g d z i e :

fi

u

- p o j e d y n c z y p o m i a r w ¿im,

- ś r e d n i a a r y t m e t y c z n a p o m iaró w n a danym o d c i n k u m i e r n i c z y m w ^m ,

- i l o ś ć p o m iaró w n a o d c i n k u m i e r n i c z y m ( n = 2 0 ) .

D la w y z n a c z e n i a b ł ę d u p o m i a r u , p o t r z e b n e g o

i s t o t n o ści w s p ó ł o v, n - n i k ś w r e g r e s j i o r a z r ó ż n i c m i ę d z y c h r o p o w a t o ś c i ą p o w i e r z c h n i AD,;: ,.v ; i wykonano 5 odlewów w t z w - ś r o d k u d o ś w i a d c z e n i a , t a n . n a

p o d s t a w o ­ wym

--

mm; Tz *

T =

j e d n o s t e k ;

•- 5 s ; H = '! 2 ,■ 5 cm ).

W p ł y w c z y n n i k ó w t e c h n o l o g i c z n y c h n a . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 0 '1

3. Wyniki badań

W yniki pomiarów' k o nt r o l n y c h P.a podano w tabl ic y 2. Ha ich podstawie zw e ry fi ko w an a t e s t e m C o c hr a na [?1 h i p o t e z a o równości w ar i an cj i (:;

2 2 2

= = S AG = 3-gg) oka z ał a się 3łuszną, gdyż

„2S . max

G = -* pi w n- = 0 , 3 2 7 7 < g (0,05; 4; 14) = 0,436 6 s; + S| +

Ozna cz a to, że we w s z y s t k i c h p o m i a r a c h k o n t r o l n y c h po p eł ni an o j ed nakowy błąd. Stat ys t yc zn a ocena [

7

(BD).

chni odlewu (AG i BG).

Ze wzglę du na słuszność hi potezy o równości wariancji, d la oceny błędu do św i adczenia p os ł uż on o się i ch średnią arytmetyczną: (Sj j(

2

dało średni bł ąd pomiaru ^(y) = + 5,^5 p m . Na podstawie p o m i a r ó w z asad­

niczych, zr ea l i z o w a n y c h wg p rz y ję t e g o planu badań, o bl ic z o n o w s p ó ł c z y n n i ­ ki regresji, które zestawiono w tablicy 3- Istotnymi o k az ał y się tylko te które spe łn i ły w a r u n e k :

b i > A S bi ‘ \ (S<r>

(0,05;7) 1

2'

— = + 2,15 . 1,92 = + 4,128.

Wy r óż ni on o je w tablicy 3 przez podkreślenie.

Dla p o wi e rz ch ni A D istotnymi czynnik am i okaz a ły się, opró cz bQ , także b 2 = 9,875 i b 3 = - 11,125.

Ozna cz a to, że w zrost tempe ra tu r y za l ew an ia p owoduje w z ro st R& , natomiast t w a r do ść formy d zi a ła w kierunku przeciwnym. W s p ó ł d z i a ł a n i a czy nn i kó w zm i en ny ch nie w y k a z a ł y i s totnego wpływu. I st n ie j ą c ą tu za le żność mo żn a wy­

razić r ó w n a n i e m regresji liniowej;

Ya d = 52,375 + 9,875 x 2 - 11,125 x 3 ,

Wyniki pomiarówkontrolnychi obliczonecharakterystykipróby

1 1 0 T a d e u s z W a r c h a l a

.oca E-i

Macierz planowaniai wynikibadańRa

W p ł y w

- t e c h n o l o g i c z n y c h

aJ

•H o

i—I ,0

OJ

1 1 2 T a d e u s z W a r c h a l a

a po pr ze j śc iu od w artości k o d o wy c h c z y n n ik ów do ich wie l ko śc i r z e cz yw i ­ s ty ch [6] :

R a A D = 0 ’ '97 Tz " 1,112 T w " 1 1 7 , 3 5 iim

Dla p ow ierzchni 3D, p rócz ty ch samyc h c z y n n ik ów (x2 i x^) is to tn ym o k az a­

ło się w s p ó ł d z i a ł a n i e x 2x 3> dla którego w a r t oś ć b23 = - 4,375 + 4,128.

O zn ac za to, te ws pó ł dz ia ła n ie t e m pe r at ur y z al ewania i twardości formy z mn iejsza chr o po wa to ś ć powie rz ch ni odlewu- 0 ile w p ł y w indy w id ua ln y i Tw jest z r o zu mi ał y i od d awna znany, o tyle ciekawe jest w ł a ś ni e ich współ­

działanie, kor zy s tn e z pu nktu w i d z e n i a jakości p owierzchni odlewu. Czy to jest możliwe, czy ma sens fi zy cz ny ? Przyjmując, że w y t wa rz an i e się r e d u k ­ cyjnej atm o sf er y g a z ó w wokół odlewu z a po biega penetracji metali i reakc- cj o m metal - forma, to omawiane w s pó łd z i a ł a n i e bę dzie oczywiste. Ze w z r o ­ stem t em pe r at ur y zalewania ilość w y d z i e l a j ą c y c h się g a z ó w i i c h prężność rosną, Z drugiej strony wzrostowi t wa rdości formy, wykonanej z tej samej masy formier sk i ej , odp o wi ad a ob n iżenie jej przepuszczalności, n a skutek z mn ie jszenia pr zestrzeni międzyzia rn ow y ch . W ty ch w a r u n k a c h zdolność o- chro nn a w a r s t e wk i g a z ó w rośnie. Nie bez znaczenia jest także wzrost w y ­ trzymałości masy p r z y w i ę k s z y m zagęszczeniu.

P rz ep ro w ad zo ne b a d a n i a prz e pu sz cz a ln oś ci i w y t r z ym a ło śc i stosowanej masy formierskiej przy r ó ż n y c h t w a r do śc ia c h wykazały:

Twardość formy Tw

Własności mas y formierskiej w stanie w il go t n y m P rzepuszcz al no ś ć

Pw c m ^/ G. mi n

Wytr z ym ał oś ć na ściskanie R* k G / c m 2

70 147 0,32

80 91 0,40

90 82 0,68

B r a k omawi an eg o ws p ół d z i a ł a n i a na powierzchni AD jest spowo d ow an y pra w dopodobnie tym, że p o w ie r zc hn ia ta znajdując się w b e z p o ś r e d n i m sąsi ed z ­ twie wlewu d oprowadzającego, jest i nt e ns yw ni e omywana strugą p r ze pł y w a j ą ­ cego żeliwa, pr ze r yw aj ąc e go warstewkę gazów. Isto tn ą r o l ą odgrywa tu tak­

że zj awisko erozji formy. Wracając do p ow ierzchni BD, równanie regresji przy zm ie n n y c h zak od o wa ny ch będzie:

yB D = 44,875 + 7,125 x 2 - 8,625 x 3 - 4,375 x 2x 3 ,

a po o d kodowaniu zmiennych:

R a BI) = 0,782 T z + 9,617 Tw - 0,008 T z Tw - 910,54 ¿um.

W p ł y w c z y n n i k ó w t e c h n o l o g i c z n y c h n a . .

Kie jest to już ró wn an ie liniowe, a zm iana znaku p r z y xw jest spowo do wa n a jedynie przeli cz en ia m i iloc z yn u ^ z'Tw i nie może być t r a k t o w a n a jako za przecz en i e f a kt yc zn e go k i er u n k u d z i a ła n ia tego czynnika.

D la powie rz ch ni AG, kt ór a okaz ał a się r ó w n o r z ę d n ą powi er zc hn i BG, stwier dz o no i s t o t n y i p o d o b n y w p ł y w ty ch s a m yc h c zy n ni kó w co i w p r z y p a d ­ ku p ow i er zc hn i BD:

y AG = 39,00 + 8,500 x 2 - 6,750 x^ - 5,250 x 2 x^.

Po p r zeliczeniu:

RaAQ = 1,01 Tz +

Tw

Tz -Tw

1230,

¿um.

Z p r z e p r o w a d z o n y c h b a d a ń wynika, że w d anych w a r u n k a c h decy du j ąc ym i o ch ro ­ powatości p o wi er zc h ni odlewu są:

- t em p er at ur a zalewania,

- t w ardość p ow ie r z c h n i w n ęk i formy.

Brak p ot w i e r d z e n i a w p ły wu grub oś ci ścianki odlewu, czasu zal ew a ni a i c i ś ­ nien ia staty c zn eg o n ie oznacza, że cz ynniki te są bez zn a cz en ia dla o m a ­ w i a n eg o p ro blemu. Pr z y sz e rs zy ch p r z e d z i a ł a c h zmian, w y k r a c z a j ą c y c h poza granice optymalne, m o gł yb y się okaz ać równie istotne. W b a d a n y m obszarze liczą się j ednak tylko w y m i e n i o n o dwa czynniki. Dla odlewni, w której p r o ­ w a d z on o b a d a n i a , roz sz er ze n ie obsz ar u b ad a ń było zbędne ze w z g l ęd u n a a- sortyment p r o d u k o w a n y c h o d l ew ów i s to sowany p a rk s k r zy ne k fo rmierskich.

4. Wnioski

D la o d l e w ó w małych, typu płyty, i st otnymi z p un kt u w i d z e n i a c h ro p ow at o­

ści p ow ie rz c hn i o k a z u j ą się: t e mp er a t u r a zalewania oraz twardość wnęki formy. P o z y t y w n y m okaza ło się ws p ół d z i a ł a n i e te mp e r a t u r y za le wa ni a i twa r ­ dości formy.

Dolne p o w i er zc hn i e o d l ew ów w y k a z u j ą w i ę k s z ą c h r op ow at o ść w porów na n iu z po w ie rz ch n ia mi górnymi, s zc ze gó l ni e w pobl iż u w l e w ó w do pr owadzających.

M i n i m a l n ą c hr op o w a t o ś ć powi er zc h ni o d le wó w w danyc h w a r u n k a c h m o ż na o- siągnąć s t o su j ą t e mp e r a t u r ę zal ew an i a w z akresie 1280 do 1 320°C oraz twar­

dość p ow ie rz c hn i wnęki f or my n a p o z i o mi e 8 0 do 90 jednotek; tw a rd o ś ć p o ­ w i e r zc hn i dolnej pó łf o r m y przy w l e w a c h d o p r o w a d z a j ą c y c h w i n n a być nie m n i e js za niż

90

1 1 4 T a d e u s z W a r c h a l a

L ITERA T UR A

[1] L ac h ie wi cz A., M a za n ek K. - P rzegląd Od le w n i c t w a 9, 1967, 263.

[2J Sams on o wi cz Z. - ZN Politechniki Wrocławskiej, 110, 1965, 1.

[

3

[43 Szre ni aw sk i J. - Prze gl ą d Odlewnictwa, 8-9, 1962, 225.

[5] PN-67/H-83141 - B a d an ia o d le w ów ż eliwnych. P o miar chropow at oś ci po­

w ierzchni".

£63 N a l i m o w W., Czer no w a N. - Stat ys t yc zn e m e t o d y p la no w an ia doświ ad cz e ń e kstremalnych, W N T ) War s za wa 1967.

[

7

BJIHflHHE TEXHOJIOrHUECKHX $AK T0 P0 B H A IIIEPEXOBATOCTb nOBEPXHOCTH o t j i h b o k H3

cEPoro

P e 3 10 m e

B paóoie npHsefleHŁi pe3yjiŁTaihi Hccjie,no BaHHfl b j i h h h h h HeKOTopicc TexHOJiorn- n eoKHx $aKTopoB Ha mepexoBaiociB noBepxHOCTH Me-iKHX nyr yH HU x o t j i h b o k. Hccjie- flOBaHHH npoBefleHH H a ocnoBe ciaTHCTHnecKoro Meio.ua nxaHapoBaHHA s k c tpewajib—

Hero sKcnepHMeHia. HaiłfleHO cyąeciBeHHoe BJiiiaHHe T eM nepaTypn 3aJiHBKH, TBdp- flOCTH $ O p M H H B3aHMOaeftCTBHH 3THX $aKTOpOB Ha mepeXOBaTOCTb HOBepxHOCTH OT­

JIHBOK. B HCCJiejiyeMiix ycjioBimx H'e oSnapyxeHO cymecTBeHHOro b j i h s h h h BpeMeHH sajiHBKH h cTaiHnecKoro jiaBJieHHH nyryHa.

I N F L U E N C E OF T E C H N O L O G I C A L A G EN TS ON R OU G HNESS OF T H E S U R F AC E OF GR EY CAST IR O N CA STINGS

S u m m a r y

The i n v e s t i g a t i o n results of the in f luence of some t e c h no lo gi c al agents on ro ug hn es s of the surface of small i r o n castings ha ve be en p re s en te d in this article.

The i n v e st ig at i on s h a v e been c a r r i e d out b a s i n g on the stati st i ca l method of extreme tests planning.

The signi f ic an t in f luence of pouring temperature, m ou l d hardness a nd joint - a c t i o n of b o t h of these ag ents on the ro ug h ne ss of the surface castings h as te en found. U n d e r the test co nd it i on s no significant i nf luence of pou- ning time a nd static p r essure of the cast i r on has b e e n found.