Wpływ temperatury ciekłego metalu na efektywność sferoidyzacji przeprowadzonej metodą inmould z zastosowaniem komory reakcyjnej

Wpływ temperatury ciekłego metalu na efektywność sferoidyzacji przeprowadzonej metodą inmould z zastosowaniem komory reakcyjnej
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Żeliwo sferoidalne jest tworzywem odlewniczym o bardzo szerokim zastosowaniu. Wynika to z bardzo dużego zróżnicowania właściwości mechanicznych w zależności od liczby i wielkości wydzieleń grafitu, jak również od rodzaju osnowy [1]. W ostatnich latach produkcja wysokojakościowego żeliwa sferoidalnego zarówno na świecie jak i w Polsce, systematycznie wzrasta [2].

Wprowadzenie


Przy zapewnieniu odpowiednio wymaganego składu chemicznego żeliwa wyjściowego do zabiegu sferoidyzowania, najistotniejszym elementem technologii jest wprowadzenie Mg lub jego stopów do ciekłego metalu. Temperatura topnienia i wrzenia magnezu wynosi odpowiednio 650oC i 1107oC, dlatego magnez wprowadzony do ciekłego żeliwa intensywnie się topi, paruje i zapala, czemu towarzyszy zjawisko burzenia się kąpieli i oślepiający blask. Intensywność tego procesu zależy od temperatury ciekłego żeliwa [3]. Wraz z obniżaniem temperatury ciekłego żeliwa ciśnienie pary magnezu zmniejsza się, co ilustruje rysunek 1 [4].

Przez lata stosowania magnezu jako półproduktu do wytwarzania żeliwa sferoidalnego opracowano szereg metod jego wprowadzania do ciekłego metalu. W warunkach krajowych stosuje się głównie następujące metody przeprowadzenia zabiegu sferoidyzacji [5]:

• wprowadzanie za pomocą dzwonów wykonanych z różnych materiałów (z blachy stalowej, z materiałów szamotowo-grafitowych, z grafitu);
• zalewanie na dnie kadzi (zaprawa jest umieszczana w odpowiednim zagłębieniu w dnie kadzi);
• wprowadzanie prętów z elektronu (stopów Mg-Al) do kadzi uszczelnionych;
• metoda przewodu elastycznego PE (metoda drutowa);
• Inmold, technika sferoidyzowania bezpośrednio w formie.

Dążenie do wyeliminowania szkodliwych zjawisk obserwowanych przy wprowadzeniu magnezu do metalu przyczynia się do rozwijania nowych technik wprowadzania tego pierwiastka do żeliwa.

Metoda sferoidyzacji w formie przy użyciu komory reakcyjnej, opracowana w Instytucie Odlewnictwa, pozwala na jednoczesne przeprowadzenie procesu sferoidyzacji lub wermikularyzacji oraz modyfikacji ciekłego żeliwa w formie odlewniczej podczas wypełniania wnęki ciekłym metalem [6, 7].

Komora reakcyjna (reaktor), o odpowiedniej konstrukcji, w którym zachodzą procesy metalurgiczne, wykonywany jest poza formą odlewniczą, a następnie w niej umieszczany przed złożeniem formy, podobnie jak typowy rdzeń formierski. Składa się on z obudowy złożonej z dwóch dzielonych połówek. W reaktorze umieszczony jest sferoidyzator, modyfikator oraz filtr do filtracji metalu. Posiada on dwie komory, w pierwszej umieszczone są zaprawy, druga jest pusta, następuje w niej mieszanie składu żeliwa z rozpuszczonymi w czasie zalewania formy zaprawami z pierwszej komory. W czasie zalewania formy ciekłym żeliwem o wymaganym składzie chemicznym, w komorach zachodzą jednocześnie reakcje sferoidyzacji, modyfikacji oraz filtracji żeliwa, przepływającego układem wlewowym przez komorę i wpływającego następnie do wnęki odlewniczej. Obudowa reaktora wykonywana jest z odpowiednio dobranych piasków powlekanych spoiwem, utwardzanym samoczynnie po zaformowaniu obudowy, w specjalnej matrycy. Obudowa nie zawiera wody, dzięki temu podczas zachodzących w reaktorze procesów sferoidyzacji lub wermikularyzacji oraz modyfikacji ciekłego żeliwa nie występuje efekt rozkładu wody i zagazowania żeliwa produktami jej rozkładu.

Przygotowano żeliwo wyjściowe do procesu sferoidyzacji o następującym składzie: C - 3,99%, Si - 1,93%, Mn - 0,30%, P - 0,040% oraz S - 0,008% Temperatura zalewania form wynosiła kolejno: 1420oC, 1390oC, 1360oC oraz 1330oC.

Zabieg sferoidyzacji przeprowadzono metodą inmould, przy użyciu innowacyjnej komory reakcyjnej. Procesy sferoidyzacji oraz modyfikacji zachodziły jednocześnie podczas zalewania wnęki formy ciekłym metalem. Jako sferoidyzatora użyto zaprawy krzemowomagnezowej zawierającej 9% Mg.

Metodyka badań


Metodologia realizacji wytopów doświadczalnych przeprowadzonych w Instytucie Odlewnictwa.

Wytopy prowadzono w piecu indukcyjnym tyglowym, średniej częstotliwości, o wyłożeniu obojętnym, o pojemności tygla od 40 do 100 kg.

Odlewy testowe (rys. 2),o takim samym kształcie dla wszystkich temperatur zalewania, wykonano w klasycznych masach bentonitowych.
Ocenę efektów procesu sferoidyzacji, dla zadanych temperatur zalewania, przeprowadzono na odlewach testowych, wykonując szereg badań metalograficznych.

Wyniki badań


Dla każdej z założonych temperatur zalewania formy zastosowano jednakową ilość sferoidyzatora oraz modyfikatora.

W tabeli 1 zestawiono wyniki oznaczeń składu chemicznego żeliwa z wytopów doświadczalnych. Próbki spektralne do badań składu chemicznego po procesie sferoidyzacji zalano jako integralną część odlewu do specjalnie przygotowanych ochładzalników, umieszczonych we wnęce formy odlewniczej. Uzyskany skład chemiczny dla poszczególnych temperatur zalewania wykazał, że wraz ze spadkiem temperatury zalewania następuje obniżenie zawartości węgla i krzemu, co jest spowodowane ich utlenianiem podczas przetrzymywania w piecu. Maleje również przyswajalność magnezu, co związane jest ze spadkiem temperatury, a co za tym idzie, ze zmniejszeniem rozpuszczalności zaprawy, która pozostaje w komorze reakcyjnej.

Mikrostruktury wydzieleń grafitu oraz osnowy metalowej, w zależności od temperatury zalewania, zostały przedstawione na rysunkach 3-6.
Ocena mikrostruktury grafitu wg PN-EN ISO 945-1 wykazała (tabela 2), że we wszystkich próbkach pobranych z żeliwa sferoidalnego, niezależnie od temperatury zalewania, 100% wydzieleń grafitu to sferoidy (VI i V), przy czym tylko 10% to grafit sferoidalny o nieregularnym kształcie (V). Obrazują to zgłady metalograficzne nietrawione.

Najdrobniejsze wydzielenia grafitu zaobserwowano dla żeliwa sferoidalnego o temperaturze zalewania 1420oC .

Zgłady metalograficzne po trawieniu w obu przypadkach wykazały w znaczącej przewadze osnowę ferrytyczną, z udziałem osnowy perlitycznej do 10% (tabela 2). Wraz ze spadkiem temperatury zalewania zwiększa się dyspersja perlitu płytkowego.

Podsumowanie


Aby otrzymać żeliwo sferoidalne metodami tradycyjnymi (np. metodą przewodu elastycznego PE lub metodą dzwonową) konieczne jest przegrzanie żeliwa do temperatury około 1500oC, co jest niekorzystne dla kąpieli metalowej. Ponadto efekt sferoidyzacji zanika w czasie, dlatego w obecnie stosowanych metodach bardzo ważna jest kontrola czasu od momentu wykonania sferoidyzacji do momentu zalania formy. Wiąże się to również z koniecznością rozlania całej porcji metalu z kadzi do form odlewniczych. W przypadku użycia komory reakcyjnej problem zarówno przegrzania metalu, jak i kontroli czasu zalewania nie występuje.

Dla żeliwa wytapianego w piecu indukcyjnym zaleca się, aby ilość magnezu po procesie sferoidyzacji mieściła się w zakresie od 0,04 do 0,06%. Dla wszystkich temperatur zalewania otrzymano ilość magnezu w żeliwie końcowym w zalecanym zakresie.

Przeprowadzone badania wykazały, że obniżenie temperatury zalewania z 1420oC do 1330oC, przy jednakowym zużyciu sferoidyzatora i modyfikatora, nie wpływa na rodzaj wydzieleń grafitu, który dla każdej z temperatur jest grafitem sferoidalnym.

Ponadto proces sferoidyzacji przy użyciu komory reakcyjnej, w porównaniu do obecnie powszechnie stosowanych sposobów, ma zdecydowanie korzystny aspekt ekologiczny, ze względu na brak emisji szkodliwych gazów, a także wydzielających się dymów oraz błysków w czasie sferoidyzacji. Jest to możliwe dzięki wytwarzaniu się atmosfery redukcyjnej w czasie zachodzenia procesu sferoidyzacji w formie odlewniczej zabezpieczającej magnez przed jego utlenianiem tlenem zawartym w powietrzu.

Artykuł przygotowano w ramach projektu NCBiR Nr. INNOTECH - K3/IN3/54/227695/NCBR/14.

Literatura

1. STAWARZ M.: Kompleksowa ocena jakości żeliwa sferoidalnego. Eksploatacja i Niezawodność, 2, 2004, s. 55-58.
2. SOBCZAK J.J., BALCER E., KRYCZEK A.: Odlewnictwo polskie na tle odlewnictwa światowego, stan aktualny - tendencje. Ogólnopolski Dzień Odlewnika, Kraków 2015.
3. ORŁOWICZ W.: Sferoidyzacja żeliwa przy użyciu przewodu elastycznego. Krzepnięcie Metali i Stopów, 1/41, 1999, s. 84-89.
4. ARLIGUNIE J.P.: La traintment de la Fonte. Avec la fil fourre. Pechiney Electrometallurgie, 1996.
5. GUZIK E.: Ogólna ocena metody PE sferoidyzowania żeliwa. Archiwum Odlewnictwa, 1/1(1/2), 2001, s. 83-91.
6. STEFAŃSKI Z., PYTEL A.: Nowa ekologiczna metoda wytwarzania odlewów z żeliwa sferoidalnego i wermikularnego w formie odlewniczej. Konferencja Naukowo-Techniczna "Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odpornych na zmęczenia cieplne", Zakopane 2013
7. STEFAŃSKI Z., PYTEL A.: Reaktor do wytwarzania żeliwa wysokojakościowego, zwłaszcza sferoidalnego lub wermikularnego. Patent nr PL 220357 B1.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Wpływ temperatury ciekłego metalu na efektywność sferoidyzacji przeprowadzonej metodą inmould z zastosowaniem komory reakcyjnej

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!