I N S T Y T U T O D L E W N I C T W A

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Tom XLVII I Numer 3

SPIS TREŚCI

1. ANDRZEJBALIŃSKI:Recyklingodpadowychpopiołówlotnychpowstającychzespalaniawęglakamiennego,waspekciewytwarzaniamasformierskich...

2. PIOTR DUDEK, PAWEŁ DARŁAK, ALEKSANDER FAJKIEL, TOMASZ REGUŁA: Ocena możliwości otrzymywania modyfikatorów do stopów aluminiumzwykorzystaniemmetodymechanicznegostopowania..................

3. ZENONPIROWSKI,JACEKWODNICKI,JERZYOLSZYŃSKI:MikrododatkiboruiwanaduwżeliwieADI.Część2.Badaniawłasne..................................

4. MARTAHOMA:ŻaroodpornośćiżarowytrzymałośćstalitypuFe-Cr-Alwwar-unkachutleniających:aktualnystaniperspektywybadań...............................

5

31

49

57

Wydawca:

INSTYTUT ODLEWNICTWA

KOLEGIUM REDAKCYJNE:

Jerzy Józef SOBCZAK (Redaktor Naczelny), Andrzej BALIŃSKI (Z-ca Redaktora Naczelnego), Andrzej BIAŁOBRZESKI, Zbigniew GÓRNY, Stanisława KLUSKA-NAWARECKA,

Natalia SOBCZAK, Józef Szczepan SUCHY, Joanna MADEJ (Sekretarz Redakcji), Krystyna RABCZAK (Sekretarz wersji internetowej)

KOMITET NAUKOWY:

Rajiv ASTHANA (USA), Józef DAŃKO, Ludmil DRENCHEV (Bułgaria), Natalya FROUMIN (Izrael), Edward GUZIK, Marek HETMAŃCZYK, Mariusz HOLTZER,

Werner HUFENBACH (Niemcy), Jolanta JANCZAK-RUSCH (Szwajcaria), Olga LOGINOVA (Ukraina), Enrique LOUIS (Hiszpania), Luis Filipe MALHEIROS (Portugalia),

Tadeusz MIKULCZYŃSKI, Sergei MILEIKO (Rosja), Kiyoshi NOGI (Japonia), Władysław ORŁOWICZ, Alberto PASSERONE (Włochy), Stanisław PIETROWSKI,

Wojciech PRZETAKIEWICZ, Pradeep Kumar ROHATGI (USA), Sudipta SEAL (USA), Jan SZAJNAR, Michał SZWEYCER, Roman WRONA, Paweł ZIĘBA

Projekt okładki: ENTER GRAF, Kraków

Skład komputerowy: Anna Samek-Bugno

Korekta wydawnicza: Marta Konieczna

ADRES REDAKCJI:

„Prace Instytutu Odlewnictwa” 30-418 Kraków, ul. Zakopiańska 73

tel. (012) 261-83-81, fax (012) 266-08-70 http://www.iod.krakow.pl

e-mail: jmadej@iod.krakow.pl

© Copyright by Instytut Odlewnictwa

Żadna część czasopisma nie może być powielana czy rozpowszechniana bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich

PrintedinPoland

ISSN 1899-2439

F O U N D R Y R E S E A R C H I N S T I T U T E

TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE

Volume XLVII I Number 3

CONTENTS

1. ANDRZEJBALIŃSKI:Recyclingofwasteflyashformedduringcombustionofhardcoalforuseinmouldingmixturesmanufacture.......................................

2. PIOTR DUDEK, PAWEŁ DARŁAK, ALEKSANDER FAJKIEL, TOMASZ REGUŁA:Evaluatingthefeasibilityofmakingaluminiumalloynanomodifiersbythemethodofmechanicalalloying.............................................................

3. ZENON PIROWSKI, JACEK WODNICKI, JERZY OLSZYŃSKI: MicroadditionsofboronandvanadiuminADI.Part2.Owninvestigations....

4. MARTAHOMA:HightemperaturebehaviorofFe-Cr-Alsteelunderoxidizingcondidtions – areview .....................................................................................

5

31

49

57

Editor:

FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE

EDITORIAL BOARD:

Jerzy Józef SOBCZAK (Editor-in-Chief), Andrzej BALIŃSKI (Assistant Editor), Andrzej BIAŁOBRZESKI, Zbigniew GÓRNY, Stanisława KLUSKA-NAWARECKA,

Natalia SOBCZAK, Józef Szczepan SUCHY, Joanna MADEJ (Secretary), Krystyna RABCZAK (Secretary on-line version)

SCIENTIFIC COMMITTEE:

Rajiv ASTHANA (USA), Józef DAŃKO, Ludmil DRENCHEV (Bulgaria), Natalya FROUMIN (Israel), Edward GUZIK, Marek HETMAŃCZYK, Mariusz HOLTZER,

Werner HUFENBACH (Germany), Jolanta JANCZAK-RUSCH (Switzerland), Olga LOGINOVA (Ukraine), Enrique LOUIS (Spain), Luis Filipe MALHEIROS (Portugal),

Tadeusz MIKULCZYŃSKI, Sergei MILEIKO (Russia), Kiyoshi NOGI (Japan), Władysław ORŁOWICZ, Alberto PASSERONE (Italy), Stanisław PIETROWSKI,

Wojciech PRZETAKIEWICZ, Pradeep Kumar ROHATGI (USA), Sudipta SEAL (USA), Jan SZAJNAR, Michał SZWEYCER, Roman WRONA, Paweł ZIĘBA

Graphic Design: ENTER GRAF, Kraków

Computer Typesetting: Anna Samek-Bugno

Proofreading: Marta Konieczna

EDITORIAL OFFICE:

”Transactions of Foundry Research Institute” 30-418 Cracow, 73 Zakopianska Street

tel. +48 (12) 261-83-81, fax +48 (12) 266-08-70 http://www.iod.krakow.pl

e-mail: jmadej@iod.krakow.pl

© Copyright by Instytut Odlewnictwa

Nopartofthispublicationmaybereproducedordistributedwithoutthewrittenpermission ofthecopyrightholder

PrintedinPoland

ISSN 1899-2439

5

Tom XLVIII Rok 2008 Zeszyt 3

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

RECYKLING ODPADOWYCH POPIOŁÓW LOTNYCH POWSTAJĄCYCH ZE SPALANIA WĘGLA KAMIENNEGO,

W ASPEKCIE WYTWARZANIA MAS FORMIERSKICH

RECYCLING OF WASTE FLY ASH FORMED DURING COMBUSTION OF HARD COAL FOR USE

IN MOULDING MIXTURES MANUFACTURE

Andrzej Baliński

Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

Streszczenie

Artykuł stanowi zestawienie ważniejszych wyników badań przeprowadzonych w związku z realizacją projektu badawczego własnego, dotyczącego możliwo-ści zastosowania krajowych popiołów lotnych powstających ze spalania węgla ka-miennego, jako osnowy ziarnowej mas formierskich oraz fazy zbrojącej odlewanych kompozytów stopu aluminium (kompozyty ALFA). Przedstawiono skład chemiczny krajowego popiołu lotnego, charakteryzującego się największą stabilnością składu chemicznego (zawartość głównych związków chemicznych – % wag.: SiO2 = 81,66%, Al2O3 = 6,69%, Fe2O3 = 4,37%, CaO = 4,29%, MgO = 1,58%), jego skład fazowy (kwarc, mullit, larnit) oraz charakterystyczne wartości temperatury związane z przemianami fa-zowymi (temperatura topnienia = 1435°C, temperatura płynięcia = 1494°C, stabilność wymiarowa do temperatury 1230°C). Omówiono badania wpływu zastosowania pro-cesów odmywania i separacji magnetycznej popiołu lotnego na zmiany wartości jego gęstości helowej, powierzchni właściwej, składu chemicznego oraz fazowego. Pro-ces odmywania powoduje istotne zmniejszenie zawartości sodu (o około 20% wag.), a także wapnia (o około 14% wag.) i magnezu (o około 11% wag.), usuniętych głów-nie z fazy szklistej. Zastosowanie tego procesu powoduje również spadek wartości gęstości rzeczywistej oraz powierzchni właściwej popiołu lotnego. Separacja magne-tyczna popiołu lotnego powoduje usunięcie części magnetycznych w ilości około 26% w przeliczeniu na Fe2O3. Towarzyszy temu spadek zawartości glinu, sodu, potasu i wap-nia. Procesowi usuwania fazy magnetycznej towarzyszy spadek gęstości rzeczywistej i powierzchni właściwej. Przedstawiono wyniki badań dotyczących aglomeracji popiołu lotnego z zastosowaniem granulatora talerzowego oraz ciśnieniowego. Stwierdzono, że obydwie metody aglomeracji nie umożliwiają uzyskania litego materiału. Uzyska-ne aglomeraty posiadają strukturę porowatą, jednakże wyraźnie większymi porami charakteryzują się aglomeraty uzyskane w procesie granulacji talerzowej. Badany popiół lotny zastosowano jako osnowę ziarnową do wytwarzania mas formierskich zgodnie z procesem Shawa, procesem termoutwardzalnym (ze szkłem wodnym jako spoiwem) oraz procesem CO2. Określono podstawowe właściwości technologiczne uzyskanych mas formierskich, ich odporność termiczną oraz wytrzymałość resztko-wą. Stwierdzono przydatność tego rodzaju mas formierskich do wytwarzania form

6

Prace IO 3/2008

Andrzej Baliński

i rdzeni dla odlewów wykonywanych ze stopów metali o temperaturze zalewania nie przekraczającej około 1000°C. Przeprowadzono analizę wpływu zastosowania masy formierskiej z udziałem popiołu lotnego jako osnowy ziarnowej, na skład chemiczny i morfologię granicznej warstwy odlewu ze stopu aluminium. Nie stwierdzono wpływu popiołu lotnego jako osnowy ziarnowej masy formierskiej, na zmianę mikrostruktury oraz morfologii odlewu. Badania możliwości zastosowania popiołu lotnego jako fazy zbrojącej kompozytów ALFA, poprzedzono badaniami właściwości fizykochemicz-nych osnowy ziarnowej w postaci popiołów lotnych, zużytej w procesie odlewania. Stwierdzono, że pomimo wysokiej reaktywności ciekłego Al i jego stopów w kontakcie z badanym materiałem nie zaobserwowano ich wzajemnego oddziaływania. Po za-stosowaniu obróbki cieplnej wytworzonego kompozytu z zastosowaniem popiołu lot-nego jako fazy zbrojącej wprowadzonej w ilości 5% wag. oraz materiału wyjściowego w postaci próbek ze stopu aluminium, wytrzymałość RP02 oraz Rm kompozytu wzra-sta o około 10%, w porównaniu do analogicznych wartości materiału wyjściowego. Wartość A5 kompozytu maleje o około 60%, natomiast wartość HBW 5/250 wzrasta o około 55%, w porównaniu do analogicznych wartości materiału wyjściowego.

Słowa kluczowe: popiół lotny, aglomeracja, masa formierska, kompozyt

Abstract

The article is a compilation of the most important results obtained during execution of own research project regarding the possibility of using fly ash formed during combus-tion of hard coal as a base granular material in moulding mixtures and as a reinforcing phase in cast aluminium alloy-based composite materials (ALFA composites). The chemical composition of the domestic fly ash, characterised by the greatest stability of composition (the content of the main chemical compounds is the following – wt. %: SiO2 = 81,66%, Al2O3 = 6,69%, Fe2O3 = 4,37%, CaO = 4,29%, MgO = 1,57%), was de-termined together with the composition of respective phases (quartz, mullite, larnite) and some typical phase transformation-related values of temperature (melting point = 1435°C, flow temperature = 1494°C, dimensional stability up to 1230°C). The effect of washing process and magnetic separation of fly ash on changes in the value of its helium density, specific surface, and chemical and phase composition was discussed. The process of washing decreases significantly the content of sodium (by about 20 wt. %), calcium (by about 14 wt. %) and magnesium (by about 11 wt. %), removed mainly from the glassy phase. Applied effectively, this process also causes a decrease in the value of the fly ash true density and specific surface. Magnetic separation of fly ash removes the magnetic particles in an amount of about 26% in convertion to Fe2O3. A decrease in the content of aluminium, sodium, potassium and calcium usually ac-companies this effect. The removal of magnetic phase is accompanied by a drop in the value of true density and specific surface. The article presents the results of investiga-tions regarding the fly ash agglomeration behaviour when conducting the process in a disc granulator and in a pressure granulator. It has been stated that neither of these two methods of agglomeration enables obtaining a truly compact and solid material. The obtained agglomerates are characterised by a porous structure, the agglomer-ates produced in disc granulators having definitely larger pores. The examined fly ash was used as a base granular material for the manufacture of moulding mixtures used in the Shaw Process, in the process of thermo-setting mixtures (with sodium silicate as a binder), and in mixtures for the CO2 process. The basic technological proper-ties of the manufactured moulding mixtures were determined along with their thermal resistance and residual strength. The applicability of these mixtures in production of

7

Recykling odpadowych popiołów lotnych powstających ze spalania węgla ... Prace IO 3/2008

foundry moulds and cores for elements cast from metal alloys at temperatures of up to about 1000°C was stated. The effect of the fly ash-based moulding mixture on the chemical composition and morphology of a phase boundary in aluminium alloy casting was analysed. The fly ash used as a base material in foundry mixture was observed to have no effect on changes in casting microstructure and morphology. In-vestigations of the possibility to use fly ash as a reinforcing phase in ALFA composites were preceded by investigations of the physico-chemical properties of fly ash used as a base material in foundry mixtures after pouring of these mixtures with molten metal. In spite of high reactivity of molten aluminium and its alloys in contact with the ex-amined material, no interaction has been observed to take place. After a heat treat-ment of the ready, fly ash-containing, composite, where the said fly ash was acting as a reinforcing phase and was introduced in an amount of 5 wt. %, as well as a heat treatment of the base material, i.e. aluminium alloy samples, it was observed that the yield strength RP02 and tensile strength Rm of the composite increased by about 10%, compared to analogical values obtained for the base, fly ash-free, aluminium alloy. The value of the composite elongation A5 decreased by about 60%, while the value of HBW 5/250 raised by about 55%, compared to analogical values obtained for the base material.

Keywords: fly ash, agglomeration, moulding mixture, composite

31

Tom XLVIII Rok 2008 Zeszyt 3

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

OCENA MOŻLIWOŚCI OTRZYMYWANIA NANOMODYFIKATORÓW DO STOPÓW ALUMINIUM Z WYKORZYSTANIEM METODY

MECHANICZNEGO STOPOWANIA

EVALUATING THE FEASIBILITY OF MAKING ALUMINIUM ALLOY NANOMODIFIERS BY THE METHOD OF MECHANICAL ALLOYING

Piotr Dudek, Paweł Darłak, Aleksander Fajkiel, Tomasz Reguła

Instytut Odlewnictwa, Zakład Stopów Metali Nieżelaznych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

Streszczenie

Zastosowanie nanomateriałów obejmuje coraz szersze obszary działalności czło-wieka. Ostatnie lata przyniosły wzrost zainteresowania aspektami nanotechnologii w metalurgii ciekło-fazowej, zwłaszcza w odlewnictwie. Materiały nanokrystaliczne mogą być wytwarzane nie tylko technikami krzepnięcia zaawansowanego z zasto-sowaniem ultraszybkich prędkości krystalizacji czy współczesnych technik napylania. Dotychczas stosowane procesy wytwórcze wyrobów z metali, stopów i kompozytów na ich osnowie, nawet tradycyjne, typu odlewania grawitacyjnego, również mogą pro-wadzić do pojawienia się w strukturze faz nanokrystalicznych według mechanizmu in situ. Obiecująco rysuje się perspektywa aplikacji w odlewnictwie nanomateriałów in vitro, np. jako fazy zbrojącej w metalowych materiałach kompozytowych czy w postaci nowej generacji modyfikatorów do metali i stopów. W artykule przedstawiono wyniki prac związanych z próbą uzyskania preparatów przeznaczonych do modyfikacji sto-pów aluminium nanocząsteczkami. Zarodkowanie stopu na tych wielkościach cząstek gwarantuje uzyskanie drobnoziarnistej struktury stopu. Preparaty te otrzymano na drodze mechanicznego rozdrabniania a następnie mechanicznego stopowania (me-chanical alloying) proszków czystego aluminium oraz związków zawierających tytan i/lub węgiel, SiC i/lub bor. Zakres badań podjętych w pracy obejmował:

próbę mechanicznego stopowania mieszaniny proszków na bazie aluminium, • węgla, tytanu i boru z różną zawartością (udziałem wagowym);badania strukturalne otrzymanych preparatów (skład chemiczny, wielkość • ziarn).

Słowa kluczowe: nanomateriały, stopy aluminium

Abstract

Nanomaterials extend the range of their application in human activities. The past few years have faced a considerable increase of interest in various aspects of the applica-tion of nanotechnology in liquid phase metallurgy, especially in metalcasting. Nanoc-rystalline materials are fabricated not only by the advanced solidification techniques

32

Prace IO 3/2008

Piotr Dudek, Paweł Darłak, Aleksander Fajkiel, Tomasz Reguła

with application of ultra-high solidification rates, or by modern techniques of spray-ing. Other processes used so far for the manufacture of products from metals, metal alloys and composites, like the common gravity casting, may also form nanocrystal-line phases in alloy structure by the in situ mechanism of phase formation. Quite promising is the possibility of application in foundry industry of nanomaterials in vitro, e.g. as a reinforcing phase in metal matrix composites, or in new generation modifiers for metals and alloys. This article presents the results of the tests carried out to pro-duce nanoparticle materials for aluminium alloys modification. The alloy nucleation on nanosize particles guarantees obtaining a fine-grain structure in the treated material. The modifiers were fabricated by mechanical disintegration and alloying of pure alu-minium powder with titanium-, carbon-, SiC- and/or boron-bearing compounds. The scope of the research covered:

tests of mechanical alloying of the aluminium-based powders with carbon, tita-• nium and boron added in different weight fractions;structural examinations of the modifiers (chemical composition, grain size).•

Key words: nanomaterials, aluminium alloys

49

Tom XLVIII Rok 2008 Zeszyt 3

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

MICROADDITIONS OF BORON AND VANADIUM IN ADIPART 2. OWN INVESTIGATIONS

MIKRODODATKI BORU I WANADU W ŻELIWIE ADICZĘŚĆ 2. BADANIA WŁASNE

Zenon Pirowski*, Jacek Wodnicki, Jerzy Olszyński

Foundry Research Institute, Department of Ferrous Alloys, Zakopiańska St. 73, 30-418 Kraków*Contact for correspondence: e-mail: pirowski@iod.krakow.pl

Abstract

In the second part of the study, describing the role of vanadium and boron microad-ditions in the process of structure formation in heavy-walled castings made from ADI, the results of own investigations were presented. Within this study two series of melts of the ductile iron were made, introducing microadditions of the above mentioned elements to both unalloyed ductile iron and the ductile iron containing high levels of nickel and copper (the composition typical of ADI). Melts were conducted with iron-nickel-magnesium master alloy. Thermal analysis of the solidification process of the cast keel blocks was conducted, the heat treatment of the alloys was carried out, and then the effect of the introduced additions of boron and vanadium on the hardenability of the investigated cast iron was examined and evaluated.

Keywords: innovative foundry materials and technologies, heat treatment, austemper-ing, austempered ductile iron ADI, alloying microadditions

Streszczenie

W drugiej części pracy, opisującej rolę mikrododatków wanadu i boru w procesie kształtowania się struktury grubościennych odlewów z żeliwa ADI, omówiono wyni-ki przeprowadzonych badań własnych. W ramach pracy wykonano dwie serie wy-topów żeliwa sferoidalnego wprowadzając mikrododatki tych pierwiastków zarówno do niestopowego żeliwa sferoidalnego, jak też do żeliwa zawierającego zwiększoną zawartości niklu i miedzi (skład typowego żeliwa ADI). Wytopy prowadzono stosując zaprawy żelazowo-niklowo-magnezowe. Przeprowadzono analizę termiczną procesu krzepnięcia odlewanych wlewków, wykonano obróbkę cieplną otrzymanych stopów, a następnie oceniono wpływ wprowadzanych dodatków boru i wanadu na hartowność badanego żeliwa.

Słowa kluczowe: innowacyjne materiały i technologie odlewnicze, obróbka cieplna, hartowanie z przemianą izotermiczną, żeliwo ADI, mikrododatki stopowe

57

Tom XLVIII Rok 2008 Zeszyt 3

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

ŻAROODPORNOŚĆ I ŻAROWYTRZYMAŁOŚĆ STALI TYPU Fe-Cr-Al W WARUNKACH UTLENIAJĄCYCH: AKTUALNY STAN I PERSPEKTYWY BADAŃ

HIGH TEMPERATURE BEHAVIOR OF Fe-Cr-Al STEEL UNDER OXIDIZING CONDITIONS – A REVIEW

Marta Homa

Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

Streszczenie

Praca przedstawia krytyczną analizę obecnego stanu wiedzy na temat badań nad żaroodpornością stali typu Fe-Cr-Al z grupy AFA (Alumina Forming Alloys), których zachowanie w środowisku gorących gazów jest od lat przedmiotem wnikliwych ba-dań. W warunkach wysokotemperaturowego utleniania tworzy się na ich powierzch-ni ochronna warstwa zgorzeliny zbudowana z tlenku glinu, który może występować w różnych odmianach krystalograficznych. Odmiany fazowe mogą ulegać transforma-cji od niestabilnej fazy γ poprzez δ i θ do stabilnej fazy α. O rodzaju utworzonej fazy decyduje temperatura procesu utleniania, skład atmosfery oraz czas. Przemianom fazowym tlenku glinu towarzyszy zmiana szybkości utleniania stali, ponieważ niesta-bilne tlenki wykazują wyższe szybkości narastania niż stabilny tlenek α-Al2O3. Dodat-kowo w trakcie transformacji fazowej obserwuje się zmiany morfologii powierzchni tworzących się zgorzelin. Fazy przejściowe na ogół występują w postaci płytek, bar-dzo cienkich długich kryształów (whiskerów) oraz tworów blaszkowych, tworzących silnie rozwinięte powierzchnie, podczas gdy faza α wykazuje budowę kolumnową a utworzona z niej powierzchnia zgorzeliny jest pofałdowana.

Słowa kluczowe: stal Fe-Cr-Al, wysokotemperaturowe utlenianie, zgorzelina Al2O3, transformacja fazowa, morfologia powierzchni

Abstract

This work reviews the current state of research regarding high temperature oxidation resistance of Fe-Cr-Al steels, that belong to a family of AFA (Alumina Forming Al-loys). The behavior of these steels in hot gases environment is a subject of intensive research. During high temperature oxidation, the protective layer of alumina oxide is formed on their surface, which can have different crystallographic forms. Moreover, Al2O3 can transform from instable γ- phase to δ, θ and finally stable α-phase. The type of alumina depends on temperature, time and atmosphere composition. The phase transformation of aluminum oxide is accompanied with change of oxidation kinetics

58

Prace IO 3/2008

Marta Homa

because instable oxides grow faster than unstable ones. Additionally, during phase transformation the morphology change of surfaces is observed. Instable phases have the form of platelets, very long thin crystals (whiskers) and blade-like crystals, in all cases resulting in the formation of highly developed scale surface. Stable α-phase shows columnar crystals construction with corresponding pleated scale surface.

Key words: Fe-Cr-Al steel, high temperature oxidation, alumina scale, phase transfor-mation, surface morphology