K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N – O D D Z I A Ł W P O Z N A N I U Vol. 28 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008

BOGDAN PIEKARSKI∗, ANDRZEJ DROTLEW∗∗

KONSTRUOWANIE ODLEWÓW PRACUJĄCYCH W WARUNKACH CYKLICZNYCH ZMIAN TEMPERATURY

W artykule – na przykładzie odlewanych elementów służących do uformowania i transportu wsadu w piecach do obróbki cieplnej – przedstawiono podstawowe zasady obowiązujące przy projektowaniu odlewów pracujących w warunkach cyklicznych zmian temperatury. Zestawiono wytyczne dotyczące doboru grubości i sposobów łączenia ścianek odlewów.

Słowa kluczowe: konstruowanie odlewów, staliwo austenityczne, żarowytrzymałość

1. WPROWADZENIE

Odlewy żarowytrzymałe są produktami, przy których projektowaniu kon-struktor musi uwzględnić przynajmniej trzy grupy czynników mających podsta-wowy wpływ na trwałość [5, 6]: korozję wysokotemperaturową, zmęczenie cieplne oraz pełzanie.

Żarowytrzymałe, odlewane elementy służące do transportu i uformowania wsadu w piecach do obróbki cieplnej są dobrym przykładem do przedstawienia podstawowych zasad obowiązujących konstruktora przy projektowaniu od-lewów pracujących w warunkach cyklicznej zmiany temperatury. Warunki pracy odlewów opisują [6]:

– parametry procesu obróbki, takie jak: jej czas, maksymalna temperatura, kształt cyklu temperaturowego, rodzaj stosowanej atmosfery i ośrodka chłodzą-cego,

– zadania, jakie pełnią poszczególne elementy wyposażenia w procesie ob-róbki.

Konstruktor musi więc uwzględnić z jednej strony wymagania materiałowe wynikające z zapewnienia odlewom dobrej odporności na trzy ww. czynniki, a z drugiej zagwarantować im (przez odpowiednie ich zaprojektowanie) jak najmniejszą odkształcalność cieplną.

∗ Dr hab. inż.

∗∗ Dr inż. Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Szczecińskiej.

B. Piekarski, A. Drotlew 96

Ogólnie należy stwierdzić, że przy projektowaniu tego typu elementów kon-struktor powinien się kierować zasadą równoczesnego krzepnięcia odlewu ze względu na jego cienkościenność, a w wielu przypadkach dodatkowo ze wzglę-du na jego ażurową konstrukcję [6]. Taki sposób konstruowania, korzystny z punktu widzenia odporności odlewów na zmęczenie cieplne, obowiązuje rów-nież, gdy głównym zadaniem konstruktora jest wprowadzenie do konstrukcji odlewu takich rozwiązań, które zapobiegają tworzeniu się w nim nadmiernych naprężeń odlewniczych mogących stworzyć niebezpieczeństwo powstawania odkształceń i pęknięć w czasie stygnięcia [1, 2, 7, 10].

W artykule zestawiono zalecenia dotyczące projektowania tego typu odle-wów i zilustrowano je przykładami typowych rozwiązań konstrukcyjnych.

2. POŁĄCZENIA ŚCIANEK

Do transportu i uformowania wsadu stosowane są oprzyrządowania (rys. 1), w skład których może wchodzić duża paleta oraz jedna lub kilka palet po-średnich utrzymywanych nad podstawą za pomocą słupków. Pomiędzy paletami, często z wykorzystaniem dodatkowych zawieszek, mocowane są części przezna-czone do obróbki. Odlewy wykonywane są w całości lub częściach przede wszystkim ze staliwa niklowo-chromowego [6, 10].

Rys. 1. Typowe oprzyrządowanie do transportu i uformowania wsadu w piecach do obróbki cieplnej [2] Fig. 1. Typical charging system for heat-treatment furnaces [2]

Gabaryty oprzyrządowania wynikają z typu zastosowanego pieca (piece ko-

morowe, przepychowe czy wgłębne) i na tej podstawie należy również dobrać masę (ilość) obrabianych cieplnie części, co w konsekwencji prowadzi do okre-

Konstruowanie odlewów pracujących w warunkach … 97

ślenia ich nośności. Średnią grubość ścianki odlewu, zapewniającą odpowiednią nośność konstrukcji, oblicza się dla danego typu staliwa austenitycznego, przyj-mując wartość wytrzymałości na pełzanie w maksymalnej temperaturze obróbki (wartość czasowej granicy pełzania R1/10000/t [2, 10]).

W trakcie konstruowania kształtu elementu obowiązują cztery zasady: 1. Grubość ścianek odlewu powinna być w miarę możliwości jednakowa

i jak najcieńsza. W przypadku konieczności łączenia ścianek różnej grubości należy zagwarantować bardzo łagodne przejście pomiędzy nimi. Jednocześnie należy unikać większych skupień materiału oddzielonych od innych masywniej-szych części odlewu cienkimi ściankami.

Komentarzem do tego zalecenia są dwa ważne uogólnienia: – masa projektowanej konstrukcji, która może stanowić nawet 50% wsadu,

rzutuje wprost na wydajność i proces obróbki cieplnej; – obliczona na podstawie masy wsadu minimalna grubość ścianek odlewu

może być mniejsza niż ich minimalna grubość, jaką można uzyskać, stosując daną technikę odlewania (ze względu na konieczność zachowania minimalnego przekroju wnęki formy odlewniczej zapewniającego właściwe jej zapełnienie); w praktyce stosowane wartości grubości ścianek mieszczą się zwykle w grani-cach 5÷12 mm przy wysokości od 30 do 60 mm i są cieńsze [7], niż zaleca to praktyka dla odlewów staliwnych; podobną grubość mają pozostałe współpracu-jące elementy, przy czym wraz ze zmniejszaniem się przenoszonego przez od-lewy obciążenia ścianki o smukłych przekrojach prostokątnych zastępowane są ściankami o przekrojach kwadratowych.

Konieczne zwiększenie przekroju wybranych fragmentów odlewu oraz zmia-ny kierunku przebiegu jego ścian w trakcie eksploatacji przyczyniają się do wzrostu koncentracji naprężeń cieplnych. Poprawne ukształtowanie połączeń ścian w odlewach pozwala zmniejszyć negatywne dla trwałości odlewu skutki takich rozwiązań (rys. 2). Przejście między grubszymi i cieńszymi przekrojami powinno być łagodne (rys. 2a), a zaokrąglenia powinny mieć odpowiednio duże promienie (rys. 2b).

2. Konstrukcja odlewu powinna być oparta na połączeniach ścianek typu T, Y, V, L w miarę konieczności użebrowanych. Zgrubienia powstające w miej-scach styku ścianek należy minimalizować.

Podstawowe sposoby łączenia ścianek ażurowych odlewów (palet) pokazano na rys. 3 i 4. Można je podzielić na dwie grupy: połączenia, które jednocześnie służą do montażu obrabianych cieplnie elementów (rys. 3a–c) i połączenia zapew-niające palecie jedynie odpowiednią zwartość i nośność (rys. 4a–c). Połączenie pokazane na rys. 3a stosuje się przy wysokich paletach dolnych przenoszących obciążenie zarówno wsadu, jak i pozostałych elementów oprzyrządowania. Otwo-ry odwzorowuje się za pomocą rdzeni. Rozwiązania z rys. 3b i c dotyczą palet górnych, niższych, przenoszących zdecydowanie mniejsze obciążenie – spinają-cych konstrukcję i pozycjonujących obrabiane części. Otwory są odwzorowy-

B. Piekarski, A. Drotlew 98

wane z modelu bezpośrednio w masie formierskiej. Pozostałe połączenia (rys. 4) oparte są głównie na węzłach typu T, Z oraz Y.

a) b)

d

d-1

D (> D - d)

1.5d

dd

d

Rys. 2. Zalecane sposoby kształtowania naroży odlewów o różnych (a) i jednakowych (b) przekro-jach ścian [10]

Fig. 2. Recommended method of corners designing in castings with (a) different and (b) equal wall thickness [10]

a b

c

Rys. 3. Sposoby łączenia ścianek w odlewach [7–10] Fig. 3. The way of wall connection in castings [7–10]

3. Obowiązuje zasada bezwzględnego unikania krzyżowych połączeń żeber

typu X i zastępowania ich połączeniami typu T (rys. 4a). Połączenia Y (rys. 4b–c), ze względu na równomierność odprowadzania ciepła i zmniejszoną koncen-trację naprężeń, są najbardziej korzystne. Zaleca się również wprowadzanie ścianek wygiętych (porównaj rys. 4a i c) zamiast płaskich w celu unikania du-żych spiętrzeń naprężeń cieplnych. W miejscach łączenia ścian wprowadza się promienie zaokrągleń, których wartość wynosi zwykle od 1/6 do 1/3 ich grubo-ści [7, 9].

a) b)

c)

Konstruowanie odlewów pracujących w warunkach … 99

a

b

c

Rys. 4. Sposoby łączenia ścianek w odlewach [7–10] Fig. 4. The way of wall connection in castings [7–10]

4. Miejsca łączenia ścianek to obszary, w których ze względu na większe

skupienie masy ciekłego metalu (węzły cieplne) wzrasta prawdopodobieństwo tworzenia się wad wewnętrznych typu rzadzizna i jama usadowa. Do ogranicze-nia objętości węzła cieplnego, a tym samym minimalizowania wielkości wad wewnętrznych służy jednostronne wyjęcie w materiale odlewu (rys. 5). Porów-nanie wartości współczynnika R (R = (D/ d)2 – patrz rys. 5) przed zmianą kon-strukcji i po jej zmianie pokazuje, jak korzystny jest taki sposób postępowania. Należy pokreślić, że zastosowanie wybrania w obszarze łączenia ścianek całko-wicie nie eliminuje węzła cieplnego w miejscu ich styku i w konsekwencji nie zapobiega tworzeniu się w tym obszarze przynajmniej rzadzizny skurczowej [6]. W miejscach łączenia ścianek, szczególnie na zewnętrznym obrysie palet, lokuje się też najwięcej pęknięć [4]. Czas do momentu ich zarodkowania można prze-dłużyć, wykonując odpowiednie żebra wzorowane na żebrach skurczowych. Stosuje się je z powodzeniem jako jedną z metod zapobiegania pęknięciom na gorąco, tworzącym się w odlewach w czasie krzepnięcia [1, 9, 11].

Ze względu na znacznie mniejszą grubość niż grubość ścianek odlewu żebra stygną szybciej, przyjmując znaczną część naprężeń. Ponadto ułatwiają odpro-wadzanie ciepła z grubszych przekrojów. Wymiary żeber skurczowych określa się na podstawie grubości ścianki odlewu d. Przyjmuje się grubość żeber 0,2÷0,3d, jednak nie mniejszą niż 2,5 mm, oraz wysokość żeber w granicach 1,5÷2,5d [9]. Żebra dobiera się również na podstawie wartości określonego sto-sunku sprowadzonych grubości ścianek odlewu R [11] (rys. 6).

a) c)

b)

B. Piekarski, A. Drotlew 100

d D

d

d

d

Dd D

dd D

d

d

D

( > 3d)

d D

R = 1.96R = 1.44 R = 1.44R = 1

R = 3.24R = 2.89

Typowe rozwiązanie

Poprawionerozwiązanie

T V XTyp węzła

Rys. 5. Zmniejszenie objętości węzła cieplnego w różnego typu połączeniach ścian odlewu [10] Fig. 5. Decreasing of hot spot volume in different type of wall connections [10]

Rys. 6. Dobór wymiarów żeber skurczowych [11]; R1/R2 = 1÷3, grubość d żeber jest równa 0,3R1, wysokość przy ściance R1 powinna wynosić 9d, przy ściance R2 – 12d, odległość między żebrami powinna wynosić 3R1, przy przejściu żebra w ściankę odlewu należy zastosować promień r1 = R1 i r2 = R2, połączenia między ścianką a żebrem powinny mieć promień r3 = d/2

Fig. 6. Choice of dimensions of shrinkage ribs [11]

Przykładem zastosowania przedstawionych powyżej zaleceń konstrukcyj-

nych jest przeprojektowana paleta do wyżarzania butli gazowych w piecu prze-pychowym (rys. 7). Zachowując wymiary gabarytowe odlewu i rozstaw otwo-rów, zaprojektowano konstrukcję lepiej przygotowaną do pracy w zmiennym polu temperatury.

d

r1

r2

r33R1

12d

9d

R1

R2

Konstruowanie odlewów pracujących w warunkach … 101

a

b

Rys. 7. Paleta przed (a) i po (b) zmianie konstrukcji [2] Fig. 7. The pallet befor (a) and after (b) construction chan ges [2]

3. PODSUMOWANIE

Na trwałość oprzyrządowania ma również znaczący wpływ masa, rodzaj i stopień upakowania wsadu. Wynika to z następujących powodów: wprowadza-nia do konstrukcji dodatkowych naprężeń wywołanych obciążeniem częściami, wpływu wsadu na zmianę szybkości nagrzewania/chłodzenia poszczególnych elementów oprzyrządowania oraz wpływu równomierności rozłożenia części na powierzchni palety na zmniejszenie chwilowych różnic temperatury między jej fragmentami.

Obciążenie wsadem zwykle nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla trwa-łości oprzyrządowania [4, 6], natomiast pozostałych dwóch powodów nie można pomijać przy analizie konstrukcji oprzyrządowania. Projektant musi kierować się zasadą jak najwyższego stopnia upakowania części (maksymalnego wyko-rzystania przestrzeni roboczej pieca) przy zapewnieniu właściwego przepływu

b)

a)

B. Piekarski, A. Drotlew 102

atmosfery między nimi i minimalnej masy elementów konstrukcyjnych służą-cych do zamocowania części. Gęste ich upakowanie powinno prowadzić do spadku wartości naprężeń cieplnych w konstrukcji oprzyrządowania.

Poszczególnym elementom konstrukcji zestawów i ich określonym fragmen-tom (rys. 1) powinno się umożliwić przynajmniej względną swobodę zmiany wymiarów wywołanych cyklami temperaturowymi pracy [3, 6].

LITERATURA

[1] Chojecki A., Telejko I., Odlewnictwo staliwa, Kraków, Wyd. Nauk. Akapit 2003. [2] Drotlew A., Piekarski B., Oprzyrządowanie technologiczne do pieców do obróbki cieplno-

-chemicznej. Projektowanie i eksploatacja, Szczecin 1998 (praca niepublikowana). [3] Drotlew A., Piekarski B., Żarowytrzymałe odlewy palet – uwagi konstrukcyjne i technolo-

giczne, Archiwum Odlewnictwa, 2001, nr 1, s. 446. [4] Gutowski P., Piekarski B., Analiza przyczyn niszczenia palet do pieców do obróbki cieplno-

-chemicznej. Prace Naukowe Politechniki Śląskiej 1985, nr 281, s. 33. [5] Hernas A., Żarowytrzymałość stali i stopów, Gliwice, Wyd. Politechniki Śląskiej 1999. [6] Piekarski B., Odlewy ze staliwa austenitycznego w budowie pieców do nawęglania – teore-

tyczne i praktyczne aspekty podwyższania trwałości, Prace Naukowe Politechniki Śląskiej, 2003, nr 573.

[7] Poradnik inżyniera. Odlewnictwo, Warszawa, WNT 1986. [8] Richert R., Form-und gieβgerechtes Konstruieren, Leipzig, VEB Deutscher Verlag für

Grundstoffindustrie 1984. [9] Skarbiński M., Skarbiński J., Technologiczność konstrukcji maszyn, Warszawa, WNT

1982. [10] Steinkusch W., Verbesserte Werkstoff und Konstruktionen verringern Betriebskosten bei

der Wärmebehandlung, Fachberichte Hütten. Metall., 1985, 9, 746. [11] Zarys metalurgii i odlewnictwa staliwa, cz. 2, red. A. Staronka, Kraków, Wyd. AGH 1986.

Praca wpłynęła do Redakcji 13.03.2008 Recenzent: dr hab. inż. Stanisław Dymski

DESIGNING OF CASTINGS WORKING IN CONDITIONS OF TEMPERATURE CYCLIC CHANGES

S u m m a r y

In this paper, on an example of cast elements for charging batch in heat-treatment furnaces, the basic rules of designing of castings working in conditions of cyclic changes of temperature have been show. The guiding principles of the choice of wall thickness and wall commotions have been presented.

Key words: castings designing, austenitic cast steel, creep-resistance