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

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Tom XLIX Numer 4

SPIS TREŚCI

1. RAFAŁ NOWAK, NATALIA SOBCZAK, TIZIANA LANATA, ENRICA RICCI,BARTŁOMIEJKORPAŁA:Wpływnanopowłokitlenkowejnapomiarnapięcia powierzchniowegoczystejcyny...........................................................................

2. GRZEGORZ MOSKAL, ALEKSANDRA ROZMYSŁOWSKA, ANDRZEJ GAZDA,MARTAHOMA:Wybranetermofizycznewłaściwościproszkówcyrko-nianowychnabaziepierwiastkówziemrzadkichtypuRe2Zr2O7(RE-Gd,La,Sm,Nd)przeznaczonychdonatryskiwaniacieplnegopowłokowychwarstwbariero-wych....................................................................................................................

3. WOJCIECHWIERZCHOWSKI,TADEUSZGROCHAL:Metodaprzetwarzaniażeliwawstaniepółstałym.....................................................................................

4. JAROSŁAW PIEKŁO, STANISŁAW PYSZ: Modele naprężeniowedo oceny wpływu wad odlewniczych na wytrzymałość mechanicznąodlewu.................................................................................................................

5

15

27

39

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: Patrycja Rumińska

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 XLIX Number 4

CONTENTS

5

15

27

1. RAFAŁ NOWAK, NATALIA SOBCZAK, TIZIANA LANATA, ENRICA RICCI, BARTŁOMIEJ KORPAŁA: Effect of oxide nanocoating on surface tensionmeasurementsofpuretin.......................................................................

2. GRZEGORZ MOSKAL, ALEKSANDRA ROZMYSŁOWSKA, ANDRZEJGAZDA, MARTA HOMA: Selected thermo-physical properties of zirconia powdersbasedonrareearthelementssuchasRe2Zr2O7(Re-Gd,La,Sm,Nd)forthermalspraycoatingofbarrierlayers...........................................................

3. WOJCIECHWIERZCHOWSKI,TADEUSZGROCHAL:Semi-solidprocessingmethodforcastiron............................................................................................

4. JAROSŁAWPIEKŁO,STANISŁAWPYSZ:Stressmodelsandtheirapplicationin explanation of casting defect influence on the cast part mechanicalbehaviour............................................................................................................. 39

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: Patrycja Rumińska

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

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Tom XLIX Rok 2009 Zeszyt 4

5

WPŁYW NANOPOWŁOKI TLENKOWEJ NA POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO CZYSTEJ CYNY

Rafał Nowak1, Natalia Sobczak1, Tiziana Lanata2, Enrica Ricci2, Bartłomiej Korpała1

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

2 Istituto per l'Energetica e le Interfasi, Via E. De Marini 6, Genua, Włochy

StreszczenieBadania napięcia powierzchniowego ciekłej cyny w warunkach wysokiej próżni wykonano metodą dużej kropli; wykorzystano uniwersalny zestaw aparaturowy do badań właściwości ciekłych metali i stopów w wysokiej tem-peraturze. Zastosowano dwie procedury przygotowania powierzchni metalu, tj. 1) próbkę cyny przed umiesz-czeniem w komorze próżniowej oczyszczono mechanicznie i w płuczce ultradźwiękowej, 2) powierzchnię tej samej próbki po pierwszym teście dodatkowo czyszczono jonowo, wykorzystując unikalną budowę zestawu aparaturowe go umożliwiającą transfer próbki z komory preparatyki, wyposażonej w działo jonowe, do komory badawczej (wysokotemperaturowej) bez konieczności rozszczelniania aparatury próżniowej. W komorze pre-paratyki, w warunkach wysokiej próżni, próbkę poddawano czyszczeniu działem jonowym w celu usunięcia z jej powierzchni nanopowłoki tlenkowej. Następnie, nie otwierając kompleksu aparaturowego (brak kontaktu oczyszczonej próbki z powietrzem), za pomocą specjalnego manipulatora przenoszono próbkę najpierw do komory transferu (UHV), a następnie do komory badawczej (HV). Próbkę cyny umieszczono w tyglu szafiro-wym, nagrzewano do 700°C z szybkością ~12°C/min i wykonano pomiary napięcia powierzchniowego. Kolejne pomiary wykonywano podczas chłodzenia do 300°C w trybie schodkowym co 50°C. Do obliczeń napięcia po-wierzchniowego wykorzystano oprogramowanie ASTRA-2 opracowane w CNR-IENI (Genua, Włochy). Pracę wykonano w ramach umowy o współpracy pomiędzy Instytutem Odlewnictwa oraz CNR-IENI, a uzyskane wyniki stanowią część badań pracy doktorskiej Tiziany Lanata, która odbyła staż naukowy w Instytucie Odlewnictwa.

Słowa kluczowe: napięcie powierzchniowe, badanie właściwości ciekłych metali, cyna, metoda dużej kropli, trawienie jonowe

EFFECT OF OXIDE NANOCOATING ON SURFACE TENSION MEASUREMENTS OF PURE TIN

AbstractSurface tension of liquid tin under high vacuum was measured by the technique of large drop, using a versatile set of apparatus for high temperature testing of the properties of liquid metals and alloys. Two procedures of the metal drop surface preparation were applied, i.e. 1) the sample of tin before being placed in a vacuum chamber was cleaned mechanically and in an ultrasonic washer, 2) after the first test round, the surface of the same sample was additionally cleaned by ionic surface treatment, using for this purpose the apparatus of a unique design, which enabled the sample to be transferred directly and without the need to release the vacuum from the preparation chamber provided with an ionic gun to the high-temperature chamber. In preparation chamber, under the conditions of high vacuum, the sample was treated with ionic gun to remove from its surface the oxi-de nanocoating. Next, without opening the apparatus (no contact of the treated sample with air), by means of a special manipulator, the sample was moved to a transfer chamber (UHV), first, and to a measurement cham-ber (HV), next. The sample of tin was placed in a sapphire crucible and heated to 700°C at a rate of ~12°C/min and, as a next step, the measurements of the surface tension were taken. The next series of the measurements was taken during the stepwise (every 50°C) cooling of the sample to 300°C. The surface tension was calculated using an ASTRA-2 program developed by CNR-IENI (Genoa, Italy). The calculations were done as a part of an agreement of cooperation between the Foundry Research Institute in Cracow and CNR-IENI in Italy. The re-sults of the calculations were included in the doctor’s thesis submitted by Ms Tiziana Lanata who was awarded a research scholarship at the Institute.

Key words: surface tension, studies of liquid metal properties, tin, large drop method, ion etching

15

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Tom XLIX Rok 2009 Zeszyt 4

15

WYBRANE TERMOFIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI PROSZKÓW CYRKONIANOWYCH NA BAZIE PIERWIASTKÓW ZIEM RZADKICH

TYPU RE2Zr2O7 (RE- Gd, La, Sm, Nd) PRZEZNACZONYCH DO NATRYSKIWANIA CIEPLNEGO POWŁOKOWYCH WARSTW

BARIEROWYCH

SELECTED THERMO-PHYSICAL PROPERTIES OF ZIRCONIA POWDERS BASED ON RARE EARTH ELEMENTS SUCH AS

RE2Zr2O7 (RE - Gd, La, Sm, Nd) FOR THERMAL SPRAY COATING OF BARRIER LAYERS

Grzegorz Moskal1, Aleksandra Rozmysłowska1, Andrzej Gazda2, Marta Homa2

1 Politechnika Śląska, Katedra Nauki o Materiałach, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice

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

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań wybranych termofizycznych właściwości proszków cera-micznych typu RE2Zr2O7 (RE – Gd, La, Nd, Sm) przeznaczonych do natryskiwania plazmowego po-włokowych barier cieplnych. W celach porównawczych przedstawiono również wyniki dla standar-dowego proszku typu ZrO2-8% wag. Y2O3 (Y8SZ). W celu wyznaczenia tych parametrów wykonano badania przewodności temperaturowej a (metodą laser-flash) oraz ciepła właściwego cp, stosując różnicową kalorymetrię skaningową DSC. Zakres temperatury pomiarów wynosił 25–1500°C. Ba-daniom poddano próbki spiekane w 1000°C. Przeprowadzone badania wykazały, że przewodność temperaturowa proszków typu RE2Zr2O7 jest w temperaturze 1000°C niższa niż proszku Y8SZ. W zakresie temperatury 25–750°C wyższą przewodność temperaturową niż proszek Y8SZ wyka-zywał proszek typu La2Zr2O7. Najwyższą wartość ciepła właściwego wykazuje proszek cyrkoniano-wy Y8SZ, natomiast najniższą proszek na bazie cyrkonianu samaru.

Słowa kluczowe: powłokowe bariery cieplne, natryskiwanie plazmowe, ciepło właściwe, przewod-nictwo temperaturowe

Abstract

Paper presents results of investigations of selected thermophysical properties of ceramics powders RE2Zr2O7 (RE – Gd, La, Nd, Sm) type, used for thermal spray coatings. In comparison also stan-dard powder of ZrO2-8%wg. Y2O3 (Y8SZ) was tested. Using laser-flash method thermal conductivity was designated and specific heat cp by differential scanning calorimetry (DSC) was determined. Measuring temperature varried from 25–1500ºC. The samples tested were sintered at 1000ºC. As a results of tests we obtain that thermal conductivity of RE2Zr2O7 powders at 1000ºC is lower than Y8SZ. At temperature 25–750ºC higher thermal conductivity was observed for La2Zr2O7 than for Y8SZ. The highest specific heat has zirconate powder Y8SZ, and the lowest- powder based on samarium zirconate.

Key words: thermal spray coatings, plasma spraying, specific heat, thermal diffusivity

27

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Tom XLIX Rok 2009 Zeszyt 4

27

SEMI-SOLID PROCESSING METHOD FOR CAST IRON

Wojciech Wierzchowski, Tadeusz Grochal

Foundry Research Institute, 30-418 Kraków, ul. Zakopiańska 73, Poland

AbstractA device for the fabrication of ingots from cast iron of globular non-dendritic structure of the primary phase was designed and made, using the principle of overflow on the Slope Cooling Plate, known as the SCP method. Trials were made on hypoeutectic grey cast iron and high-chromium cast iron. Even during the first trials the intended effect has been achieved, which means that a fragmentation and globularization of the primary austenite was obtained. A simultaneous effect of the applied SCP technique on the shape of graphite in grey cast iron was observed.

Key words: cast iron, semi-solid processing, thixocasting, globular structure of iron alloys

METODA PRZETWARZANIA ŻELIWA W STANIE PÓŁSTAŁYM

StreszczenieZaprojektowano i skonstruowano urządzenie do wytwarzania wlewków z żeliwa o globularnej-nie-dendrytycznej strukturze fazy pierwotnej. W tym celu wykorzystano zasadę przepływu po płycie pochyłej, tj. metodę SCP (Slope Cooling Plate). Wykonano próby z zastosowaniem żeliwa sza-rego podeutektycznego i żeliwa wysokochromowego. Już w trakcie pierwszych prób osiągnięto zamierzony efekt, co oznacza, że doprowadzono do fragmentaryzacji i globularyzacji austenitu pierwotnego. Zaobserwowano równoczesny wpływ zastosowanej techniki SCP na postać grafitu w żeliwie szarym.

Słowa kluczowe: żeliwo, przetwarzanie w stanie półstałym, odlewanie tiksotropowe, globularna struktura stopów żelaza

39

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Tom XLIX Rok 2009 Zeszyt 4

39

MODELE NAPRĘŻENIOWE DO OCENY WPŁYWU WAD ODLEWNICZYCH NA WYTRZYMAŁOŚĆ MECHANICZNĄ

ODLEWU

Jarosław Piekło**, Stanisław Pysz*

* Instytut Odlewnictwa, Centrum Projektowania i Prototypowania, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

StreszczenieArtykuł analizuje możliwość zastosowania analitycznych i numerycznych modeli wady odlewniczej typu pustki do określenia lokalnego wzrostu naprężenia w jej otoczeniu. Wartość tego naprężenia może być jednym z czynników decydujących o dopuszczeniu odlewu do eksploatacji. Analizę za-proponowanych modeli przeprowadzono na przykładzie odlewu zaworu ciśnieniowego wykonane-go z żeliwa EN GJS 400 – 15.

Słowa kluczowe: wada odlewu, model numeryczny, naprężenie, symulacja krzepnięcia

** Akademia Górniczo–Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Odlewnictwa, Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych,

ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków

STRESS MODELS AND THEIR APPLICATION IN EXPLANATION OF CASTING DEFECT INFLUENCE ON THE CAST PART MECHANICAL

BEHAVIOUR.

AbstractThe article examines possible use of analytical and numerical models of casting defects of a void type in determination of local increase of stresses in the vicinity of casting defect. The stress level can be one of the factors that will decide about the casting acceptance for service. The proposed models were examined on the example of a pressure valve made from cast iron of EN GJS 400 – 15 grade.

Key words: casting defect, numerical model, stress, simulation of solidification process