A. Pytel, S. Pysz Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73,

30-418 Kraków, Polska

Wpływ parametrów technologicznych na właściwości odlewów pracujących w

warunkach cyklicznych zmian temperatury.

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

Oznaczenieskładu

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 3.55 1.7 1.35 0.1 0.037 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 1.0 0.1 0.015 0.49 0.17 4.438

Analiza odlewania płyt z żeliwa szarego

S1 S2 S3

S4 S5

6,3 mm 5,4 5,0

4,6 4,2

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

S1 S2 S3

S4 S5

1850 µm 1950 µm

2200 µm 2500 µm

1750 µm

Zwiększenie wielkości równoważnika powoduje zwiększenie wielkości wydzieleń grafitu.

S1 S2 S3

S4 S5

140 MPa 173 MPa 115 MPa

105 MPa 95 MPa

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.

Oznaczenieskładu 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 2,46 0,4 0,028 0,007 0,71 0,4 0,025

W3 3,90 2,46 0,4 0,028 0,007 0,71 - 0.015

W4 3,90 2,46 0,4 0,028 0,007 0,71 - 0.025

Analiza odlewania płyt z żeliwa wermikularnego

W2W1

W3 W4

345 MPa 375 MPa

335 MPa 405 MPa

480 MPa

Żeliwo szare Żeliwo wermikularne

25 C

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

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

Wytrzymałość ok. 360 MPaWytrzymałość ok. 180 MPa

Udział perlitu 45 %Udział perlitu 40 %

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

zmian temperatury.

Płyta podkokilowaProces wlewania miedzi

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.

200 oC

500 oC

Rozkład temperatury oraz naprężeń w płycie podkokilowej w 660 i 4560 sekundzie krzepnięcia i stygnięcia odlewu kokili miedzianej.

-50 MPa

+75 MPa

Naprężenia rozciągające

Naprężenia ściskające

Krzywe rozkładu naprężeń dla czasu wybicia po 1800 i 850 sek. od zakończenia zalewania.

Krzywe rozkładu naprężeń dla początkowej temperatury płyty podkokilowej: 100oC oraz

250oC.

210 MPa 195 MPa

220 MPa 195 MPa

Krzywe rozkładu naprężeń w płycie wykonanej z żeliwa szarego oraz wemikularnego.

Tabela 1. R1 = 0,1 mm R2 = 0,5 mm R3 = 2 mm R4 = 5 mm Maksymalna wartość naprężenia odczytana na promieniu przejścia

70.3 MPa

62,5 MPa

42,3 MPa

32,5 MPa

Wnioski. 1. Przeprowadzone obliczenia wykazały że wytrzymałość Rm płyty wykonanej z

żeliwa szarego wynosi około 150 MPa, natomiast z żeliwa wermikularnego około 360 MPa.

2. Podczas eksploatacji w warunkach odlewania miedzi do kokili w płytach z żeliwa szarego powstają mniejsze naprężenia (max 200 MPa) w porównaniu z narężeniami w płytach z żeliwa wermikularnego (powyżej 250 MPa).

3. Na wielkość naprężeń ma wpływ początkowa temperatura płyty podkokilowej oraz czas wytrzymywania odlewu w kokili.

4. W celu wyeliminowania koncentracji naprężeń w obszarach zmian geometrii należy przejścia wykonywać z promieniem minimum 5 mm.

W okresie około 30 do 50 min od zakończenia zalewania temperatura w kokili żeliwnej osiąga maksymalną wartość.

Taki rozkład temperatury generuje naprężenia

Krzywa nr 2

Krzywa nr 5

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.