NADLEWY W OSŁONACH

TERMOIZOLACYJNYCH

Opracowanie: prof. Stanisław Jura dr inż. Zbigniew Jura mgr inż. Jerzy Jura

GLIWICE 2005

1. Jamy skurczowe

Odlewnictwo to umiejętność wytwarzania przedmiotów stałych poprzez stan ciekły,

krzepnięcie i stygnięcie. Chcąc wytworzyć odlewy, należy roztopić metal i odpowiednio go przygotować, ograniczyć zawartość gazów do wartości poniżej krytycznej, odpowiednio zmodyfikować ciekły metal, tj. wprowadzić dodatki stopowe zmieniające krystalizację. Są to zabiegi metalurgiczne, doskonalące proces wytwarzania odlewów.

Dlaczego pojawiają się jamy skurczowe w odlewach? Metale i stopy stosowane do wytwarzania odlewów składają się z atomów a w przypadku stopów w cieczy znajdują się cząstki, składające się z kilku atomów. Jest to jednak bardzo rzadki przypadek. Związki międzymetaliczne zwykle bowiem powstają w procesie krzepnięcia i krystalizacji pierwotnej i wtórnej.

Skurcz termiczny ciał jest zjawiskiem powszechnym. Dotyczy on ciał ciekłych i stałych. Dotyczy również ciał w stanie gazowym – tym jednak problemem ze względu na inne działanie, jak również zakres nie interesujący odlewników nie będziemy się zajmować.

Ciała ciekłe i stałe charakteryzują się dużą gęstością upakowania. W stanie ciekłym zwiększają się wzajemne odległości atomów w strukturze quasikrystalicznej a równocześnie zwiększa się znacznie liczba wakansów.

Skurcz termiczny dla ciał ciekłych i stałych wynika z niesymetryczności oddziaływania sił między atomami. Siły międzyatomowe zmieniają się znacznie bardziej przy ich zbliżaniu niż przy oddalaniu. Przy obniżaniu temperatury odległości międzyatomowe się zmniejszają (rośnie gęstość ciał).

Przejście ze stanu ciekłego do stałego powoduje uporządkowanie atomów w sieci krystalicznej i znaczne zmniejszenie liczby wakansów (dziur). Tak więc, w procesie wytwarzania odlewów na wielkość jamy skurczowej mają wpływ: skurcz objętościowy w stanie ciekłym oraz skurcz objętościowy w procesie krzepnięcia i krystalizacji odlewu.

Formę odlewniczą napełnia się ciekłym metalem o jakimś stopniu przegrzania ponad temperaturę likwidus. Ponieważ w formie odlewniczej po zalaniu tworzy się zakrzepła warstwa powierzchniowa, stanowiąca „naczynie” w stanie stałym, podlegające prawom skurczu liniowego w stanie stałym. Znajdująca się wewnątrz ciecz, zgodnie z prawem skurczu zmniejsza swoją objętość. Zmniejszenie tej objętości stanowi w geometrii odlewu pustą przestrzeń – jamę skurczową (częściowo).

Druga część objętości jamy skurczowej to skurcz wynikający z większego uporządkowania krystalicznego w stanie stałym. Tak więc jama skurczowa zależy od wielkości skurczu w stanie ciekłym oraz wielkości skurczu objętościowego w procesie krzepnięcia metalu.

Z tej krótkiej analizy wynika wniosek, że w odlewie zawsze powstanie jama skurczowa. Istnieją jednak stopy, które w procesie krystalizacji mają skurcz ujemny tzn. ich objętość wzrasta. Do tego typu metali należą: antymon, bizmut i gal. Taką właściwością cechuje się również żeliwo eutektyczne i nadeutektyczne. Wydzielenia grafitu z roztworu ciekłego metalu powodują ten znaczny przyrost objętości.

2

Obserwuje się dwa rodzaje jamy skurczowej: - jamę skurczową skupioną - jamę skurczową rozproszoną Jama skurczowa skupiona powstaje w stopach eutektycznych lub krystalizujących

w postaci kul i słabo rozwiniętych dendrytów. Tak krystalizują stopy, które mają wąski zakres temperatur początku i końca krzepnięcia (TL – TS = ∆Tmin).

Jama skurczowa rozproszona powstaje wtedy, gdy stop krystalizuje w postaci rozwiniętych dendrytów. W takim procesie krzepnięcia metal ciekły musi penetrować między gałązkami dendrytów i nie zawsze wystarcza czasu, aby wypełnił wszystkie pustki. Skurcz objętościowy w procesie stygnięcia ciekłego metalu przedstawiono w tabelach 1-4.

2. Nadlewy Technologia wykonania odlewu obejmuje również różnego rodzaju naddatki, mające

na celu zabezpieczenie otrzymania dobrych odlewów. Naddatkami technologicznymi, mającymi zapewnić wytwarzanie dobrych odlewów są nadlewy. To właśnie nadlewy mają dostarczyć ciekły metal do odlewu w czasie jego krzepnięcia. Spełnienie tego warunku jest możliwe tylko w tym przypadku, gdy nadlew będzie krzepł dłużej niż odlew. Oczywiście, będzie zawierał nadmiar ciekłego metalu, niezbędny do zasilenia krzepnącego odlewu.

Objętość ciekłego metalu niezbędna do zasilenia objętości skurczowej odlewu wynosi:

gdzie: Vz – objętość zasilania [cm3], a - 0,5 – 1,5 współczynnik zasilania, S – całkowity skurcz objętościowy [%], Vo – objętość odlewu [cm3]. Z warunku termodynamicznego wynika, że nadlew winien posiadać większą objętość

niż odlew. Ponieważ odlew posiada zwykle rozwinięty kształt, który szybciej krzepnie niż zwarty nadlew to relacje te ulegają zmianie. Dla ułatwienia obliczeń problemów krzepnięcia oraz obliczeń nadlewów wprowadzono pojęcie modułu krzepnięcia. Moduł krzepnięcia opisuje wzór:

gdzie: V – objętość odlewu [cm3], F – powierzchnia odlewu [cm2]. Taki opis odlewu pozwala na łatwe obliczenie nadlewu, ponieważ opisuje

sumarycznie zjawisko krzepnięcia.

oZ VsaV ⋅⋅

=100

][cmFVM =

3

Chvorinow [1] w swoich pracach określił zależność między czasem krzepnięcia a grubością zakrzepłej warstwy w odlewie. Zależność ta wyraża się wzorem:

gdzie: b = 0,684 współczynnik [ ]min/cm T – czas krzepnięcia [min]. Przekształcając wzór (3) otrzymuje się określenie czasu krzepnięcia odlewu:

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

KXt

Wprowadzając do tego wzoru pojęcie modułu M to dla płyty nieskończonej otrzymuje się:

X = M Ponieważ odlew płyty krzepnie z obu stron jednakowo, to maksymalna wartość X

wynosi połowę grubości płyty:

2GMX ==

Podstawiając do wzoru (3) otrzymuje się:

22

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

KM

KXt

i ostatecznie: t = C ⋅ M2

Na rys. 1 przedstawiono wyniki badań i obliczeń, wykonane przez Chvorinowa (1)

dla odlewów o różnych kształtach prostych. Przedstawiona zależność pozwala na obliczenie czasu krzepnięcia odlewu, czy też nadlewu w zależności od jego modułu. Wykres ten pozwala na dobre określenie procesów cieplnych odlewu lub nadlewu w jednolitej masie formierskiej kwarcowo-bentonitowej.

][cmtbX ⋅=

4

0,1 1 10 100moduł odlewu [cm]

czas

krz

epnięc

ia [m

in]

0,1

1

10

100

1000

Rys. 1. Zależność między modułem a czasem krzepnięcia odlewu wg Chvorinova [1]

Wzór opisujący zależność przedstawioną na rys. 1 ma postać: t = 2,595 ⋅ M1,9

Tak więc prawidłowo opracowane nadlewy winny spełniać warunek: tnadl. ≥ todl.

3. Zasięg działania nadlewów Ze względu na złożoną konfigurację odlewów zasięg zasilania przez nadlewy jest

ograniczony. Ograniczenie to w sposób istotny zmienia się dla stopów krzepnących w zakresie temperatur. Poprzez rozwinięte dendryty metal ma utrudniony przepływ (infiltracja) i wtedy pojawiają się mikrojamy skurczowe, dyskwalifikujące odlew.

Na rys. 2 przedstawiono strefy w krzepnącej płycie. Odlew bez jam będzie w strefie brzegowej i w strefie zasilania przez nadlew. Strefa ta ma ograniczony zasięg. Poza jej zasięgiem pojawia się strefa porowatości, która dyskwalifikuje odlew.

Z doświadczeń praktycznych przyjęto ograniczenia poszczególnych stref. Na rys. 3 przedstawiono zasięg zasilania płyty przez nadlewy. W przypadku zastosowania ochładzalników strefy zasilania ulegają zmianie, co przedstawiono na rys. 4.

5

Korzystając z tych wytycznych odpowiednio wylicza się moduł odlewu lub jego części, który jest podstawą do wyliczenia nadlewów, ich wielkości i rozmieszczenia.

Strefa porowatościStrefa zasilania Strefa brzegowa

Rys. 2. Strefy charakterystyczne krzepnięcia i zasilania odlewu płyty [2]

BZ BZZN N

2,5G 2G 4G 4,5G

G

Rys. 3. Strefy krzepnięcia odlewu od brzegu (B) i zasilania (Z) przez nadlewy [2]

KZ KZ KZ KZN N

5G 5G

G

Rys. 4. Strefy krzepnięcia odlewu z zastosowaniem ochładzalników (K) i zasilania (Z) [2]

4. Skurcz zasilania

Objętościowy skurcz zasilania odlewów składa się z sumy dwóch faz skurczu: - skurcz ciekłego metalu od temperatury zalania do temperatury likwidus

(TZ - TL) = Tprzegrzania - skurcz w procesie krzepnięcia, tj. między temperaturą likwidus i solidus

(TL - TS) = ∆Tkrzepnięcia.

6

Dla prawidłowego doboru nadlewów konieczna jest znajomość skurczu objętościowego odlewanych stopów. Skurcz objętościowy różnych stopów przedstawiono w tabelach nr 1, 2, 3, 4.

Tabela nr 1. Objętościowy skurcz zasilania odlewów ze stopów metali [4] Rodzaj stopu Stopień przegrzania

∆Tp [K] Skurcz zasilania (Sc + Sk) %

Stopy Al.-Zn: - o zawartości 1% Zn - o zawartości 5% Zn - o zawartości 15% Zn Stopy Al.-Si: - o zawartości 1,65% Si - o zawartości 7% Si - o zawartości 11,7% Si - o zawartości 17% Si Stopy magnezu Mosiądze Brązy Staliwo wysokostopowe Żeliwo ciągliwe

10-50 10-50 10-50 10-30 10-30 10-30 10-30 150 150 150 150 150

5,42 – 7,36 5,11 – 7,16 4,73 – 7,08 7,87 – 9,43 5,86 – 7,18 4,31 – 5,46 3,37 – 4,46 4,5 6,5 – 7,5 4,5 8 5 – 6

Sc – skurcz w stanie ciekłym, Sk – skurcz w czasie krzepnięcia

Tabela nr 2. Skurcz stopów żelaza z węglem [4] Skurcz objętościowy, %

Zawartość węgla [%]

w stanie ciekłym przy obniżeniu temp. o 100°C [Sc]

podczas krzepnięcia [Sk]

(Sc + Sk) ⋅ 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,50 2,00 2,50

1,51 1,50 1,50 1,59 1,59 1,62 1,62 1,62 1,68 1,68 1,75 1,96 2,11 2,33

1,98 3,12 3,39 3,72 4,03 4,13 4,04 4,08 4,05 4,02 3,90 3,13 2,50 2,00

3,49 4,62 4,89 5,31 5,62 5,75 5,66 5,70 5,73 5,70 5,65 5,09 4,61 4,33

7

Tabela nr 3 Skurcz żeliwa [4] Skurcz objętościowy, % (Sc + Sk) stopień przegrzania ciekłego żeliwa

Żeliwo 50°C 100°C Żeliwo szare (krzepnące w formach piaskowych suszonych) o równoważniku węglowym: - do 3,8% .............................................................- 3,8% ÷ 4,1% .....................................................- powyżej 4,1% ...................................................Żeliwo sferoidalne ..............................................

2,0 1,0 0,5 5÷8

3,0 2,0 1,0 6,0÷10,0

Tabela nr 4. Skurcz Al i Zn oraz niektórych stopów Al - Zn i Al - Si [5]

Skurcz objętościowy, % Metal (stop) Stopień przegrzania ciekłego metalu °C Sc Sk (Sc+ Sk)

Al

10 20 30

1,99 2,93 3,62

6,65

8,64 9,58 10,27

Zn

10 20 30 50

0,86 1,65 2,19 2,49

4,43

5,29 6,08 6,62 6,92

Zn – Al 5

10 20 30 50

0,93 1,80 2,46 2,98

4,18

5,11 5,98 6,64 7,16

Zn – Al 1

10 20 30 50

0,93 1,84 2,64 2,87

4,49

5,42 6,33 6,95 7,36

Zn – Al 15

10 20 30 50

0,86 1,71 2,42 3,21

3,87

4,73 5,58 6,29 7,08

Al – Zn 5

10 20 30

1,26 2,30 2,86

6,68

7,93 8,93 9,54

Al – Zn 15

10 20 30

1,05 2,17 2,74

6,60

7,65 8,77 9,34

Al – Zn 25

10 20 30

0,87 1,66 2,25

6,55

7,42 8,21 8,80

Al – Zn 50

10 20 30 50

0,81 1,63 2,29 3,13

5,90

6,71 7,53 8,19 9,03

8

Al. – Si 1,65

10 20 30

1,12 2,07 2,68

6,75

7,87 8,82 9,43

Al – Si 7

10 20 30

0,91 1,73 2,23

4,95

5,86 6,68 7,18

Al – Si 11,7

10 20 30

0,78 1,43 1,93

3,53

4,31 4,96 5,46

Al – Si 17

10 20 30

0,73 1,32 1,82

2,64

3,37 3,96 4,46

Natomiast na rys. 5 i 6 przedstawiono wykresy skurczu objętościowego staliwa

o różnej zawartości węgla i żeliwa sferoidalnego. Ponieważ temperatura zalewania ma istotny wpływ na wielkość jamy skurczowej, a równocześnie istnieją pewne wymagania technologiczne odpowiedniej temperatury zalewania, to na rys. 7 przedstawiono związek między temperaturą zalewania a grubością ścianki odlewu. Rys. 6 i 7 pozwalają na prawidłowy dobór wielkości skurczu a tym samym prawidłowy dobór wielkości

nadlewu.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1400 1500 1600 1700°C

[%]

Sku

rcz

obję

tośc

iow

y

1,5%C1,0%C

0,8%C

0,4%C

0,2%C0,1%C

0,0%C

Rys. 5. Wpływ węgla i temperatury zalewania metalu na skurcz objętościowy staliwa [2]

9

0

2 1

4 2

6 3

8 4

10 5,4 [%]

1300 1400 °C

cm /kg3

Sku

rcz

obję

tośc

iow

yże

liwa

Temp. zalewania

,09

,1

,28

,37

Rys. 6. Skurcz objętościowy i procentowy żeliwa sferoidalnego

mm

°C

Tem

p. z

alew

ania

Grubość ścianki odl.

1300

1350

1400

1450

20 40 60 80 100

Rys. 7. Zalecana temperatura odlewania dla odlewów w zależności od grubości ścianek 5. Materiały na osłony termoizolacyjne

Podstawową cechą materiałów termoizolacyjnych jest mała gęstość materiału. Mogą to być materiały porowate, spienione lub materiały włókniste. W warunkach wysokich temperatur stosuje się włókna glinokrzemianowe sklejone spoiwami nieorganicznymi. Wyroby z takich włókien w postaci płyt, mat i kształtek stosuje się jako wysokotemperaturowe osłony termoizolacyjne. Wyroby te posiadają bardzo dużą porowatość wynoszącą ok. 80%, dzięki czemu ich przewodność cieplna jest bardzo niska. Drugą cechą charakterystyczną tych materiałów to niezwilżalność przez ciekły metal. Cecha ta ma bardzo duże znaczenie w procesach technologicznych w których ciekły metal styka się z osłonami lub kształtkami wykonanymi z włókien glinokrzemianowych. Przy krótkotrwałym kontakcie z ciekłym metalem temperatura może wynosić 1550°C – 1600°C. Taka ogniotrwałość jest w pełni wystarczająca dla zastosowania tych materiałów jako warstw termoizolacyjnych do nadlewów stosowanych w technologii odlewów.

10

Materiały te stosuje się jako płyty i kształtki zwykle formowane metodą podciśnieniową. Wytwarza się dwa typy materiałów termoizolacyjnych z włókien glinokrzemianowych: STANDARD i SUPER.

Właściwości wyrobów STANDARD:

1. Temperatura zastosowania: długotrwałe – 1050 ÷1100°C, krótkotrwałe, jednorazowe – do 1550°C.

2. Skład chemiczny: SiO2 – 51÷52%, Al2O3 + ZrO2 – 46÷48%.

3. Przewodność cieplna w temperaturze: Gęstość: 300 [kg/m3]

300°C - 0,085 [W/mK] 500°C - 0,126 700°C - 0,176 900°C - 0,261 1100°C - 0,342

Gęstość: 400 [kg/m3]

300°C - 0,085 [W/mK] 500°C - 0,120 700°C - 0,152 900°C - 0,209 1100°C - 0,265

Właściwości wyrobów SUPER:

1. Temperatura zastosowania: długotrwałe – 1200 ÷1300°C, krótkotrwałe, jednorazowe – do 1600°C.

2. Skład chemiczny: SiO2 – 45÷47%, Al2O3 + ZrO2 – 50÷54%.

Gęstość (ciężar objętościowy) i przewodnictwo cieplne jest podobne jak dla materiałów typu STANDARD.

Zastosowanie tych materiałów na osłony termoizolacyjne nadlewów zwiększa czas krzepnięcia nadlewów o ok. 40-50%. Dzięki temu zmniejsza się objętość nadlewów o ok. 60-70%.

11

6. Tok postępowania w obliczaniu nadlewów

Obliczenie nadlewów jest koniecznym etapem opracowania technologii wykonania

odlewów. W pierwszym etapie należy:

- przeanalizować technologiczność konstrukcji odlewu. Rozważenie tego problemu musi być zgodne z zasadami technologicznymi odlewania. Jeżeli warunki te nie są spełnione, należy dokonać zmian (w uzgodnieniu z zamawiającym). Szczególnie należy przeanalizować procesy cieplne i zasilania odlewu,

- wybrać proces technologiczny wykonania odlewu, ustalenia płaszczyzn podziału odlewu i położenie podczas zalewania,

- ustalić sposób zalewania, szczególnie dla określenia pola temperatur w krzepnącym odlewie,

- zaprojektować naddatki technologiczne. Wszystkie te prace stanowią bazę wyjściową do obliczenia nadlewów. Postępując zgodnie z zasadami oblicza się objętości zasilane przez nadlewy

z uwzględnieniem zasięgu działania oraz oddziaływania brzegu odlewu i stosowanych ochładzalników. Dla tych objętości i zakresów zasięgu działania nadlewów wyznacza się maksymalną objętość zasilania dla odpowiedniego skurczu względnego S [%].

Obliczoną i odczytaną z tabel „W” objętość maksymalną odnosi się do koniecznych wymiarów nadlewu wykonanego w masie jednolitej. Wyznacza się charakterystykę geometryczną i moduł geometryczny koniecznego (minimalnego) nadlewu (Gn – ciężar nadlewu, Vn – objętość nadlewu, H – wysokość nadlewu, D – średnica nadlewu oraz MG – moduł geometryczny nadlewu. Wyliczeń tych dokonuje się wg metody Wlodawera [2], korzystając z odpowiednich tabel według oznaczenia „Tabela Wn” gdzie n = 1 .....6.

Zastosowanie osłon termoizolacyjnych wymaga skorygowania tych tabel. Wprowadza się nową wielkość obliczeniową, tzw. moduł termiczny MT. Dzięki wprowadzeniu warstwy izolacyjnej do osłony nadlewu przedłuża się czas krzepnięcia nadlewu. Przenosząc to wyjaśnienie na geometrię odlewu, jest to równoznaczne ze zwiększeniem wymiarów nadlewu wykonywanych w masie formierskiej jednolitej.

Ponieważ winien być spełniony warunek, że: MT ≥ Mo

to tym samym zmniejsza się znacznie wymiary nadlewu. Dla doboru odpowiednich osłon opracowano tabele, pozwalające na wybór odpowiednich osłon termoizolacyjnych. Tabele „Dobór osłon termoizolacyjnych” pozwalają na prawidłowy dobór wymiarów osłon nadlewów.

Tabele te pozwalają na łatwy dobór odpowiednich osłon termoizolacyjnych. Korzystając z tabel Wlodawera wyznacza się objętość maksymalną odlewu, mającą być zasiloną przez odpowiedni nadlew. Tabele Wlodawera są bardzo ważne, bo pozwalają na uwzględnienie skurczu objętościowego różnych stopów. Dla odlewu lub jego części zasilanej przez nadlew oblicza się objętości, powierzchnie oraz wyznacza się moduł odlewu Mo. Moduł nadlewu dla zasilanej części odlewu winien być większy od modułu odlewu. To podstawowe prawo musi by spełnione przy obliczaniu nadlewów.

12

Obliczenia te są podstawą do obliczenia modułu termicznego nadlewów. Zależność ta jest następująca:

MT = C * MG gdzie: C = 1,4-1,5. Z tej zależności wynika, że moduł geometryczny nadlewu izolowanego winien być

mniejszy. Wielkość tę jako moduł zredukowany dla nadlewów izolowanych określa wzór:

GRI MC

M ⋅=1

Według tak obliczonej zależności określa się wymiary nadlewów i osłon

izotermicznych , tj. DRi – średnicę osłony, HRi – wysokość osłony, VRi - objętość nadlewu, GRi – masę nadlewu. Wielkości te wyznacza się z tabel „R” – „Osłony termoizolacyjne dla nadlewów”.

Po określeniu wymiarów i wyborze kształtu nadlewu wybiera się z katalogu osłon nadlewów firmy HTI Sp. z o.o. najbliższe równe lub większe osłony.

Literatura 1. Chvorinov N.: Giesserei V 27, 1940, s. 177-186, 2. Wlodawer R.: Directional Solidification of Steel Castings. Pergamon Press, 1966, 3. Longa W.: Teoria procesów odlewniczych. Kraków, Wyd. AGH, 1968, 4. Matuschka B.: 26 International Foundry Congress, Problemy zatwierdiewanija

stalnych otliwok, Madryd, 1959, 5. Milicyn K.N.: Tiepłofizyka w litiejnym proizwodstwie. Minsk, Wyd. AN-SSR, 1963

13

Schemat toku obliczeń nadlewów wg WLODAWERA

Do obliczeń nadlewów wykorzystuje się tabele „W” Obliczenia nadlewów wg WLODAWERA

Obliczenie:

- objętości odlewu lub jego części, - powierzchni odlewu lub jego części, - modułu Mo.

Określenie maksymalnego skurczu objętościowego odlewu S%.

Wyznaczenie modułu i wymiarów nadlewów.

Sprawdzenie warunku: Mo < MG

Sprawdzenie warunku czasu krzepnięcia odlewu i nadlewu: to < tn

14

Schemat toku obliczeń nadlewów w osłonach termoizolacyjnych

Do obliczeń nadlewów wykorzystuje się tabele „R” Obliczenia nadlewów w osłonach termoizolacyjnych

Obliczenie:

- objętości odlewu lub jego części, - powierzchni odlewu lub jego części, - modułu Mo.

Wybór kształtu nadlewu. Wyznaczenie z tabel „R” wymiarów i modułów nadlewów.

Wybór grubości osłony termoizolacyjnej „g”. Określenie modułu termicznego MT.

Wyznaczenie modułu zredukowanego dla osłony termoizolacyjnej MRIWyznaczenie wymiarów nadlewu z osłoną termoizolacyjną.

Dobór wymiarów osłon nadlewów z katalogu produkcyjnego firmy HTI Sp. z o.o.

15