3. EKSPERIMENTALNI DEL
3.4. PRIPRAVA CELIC NA ULIVANJE
Med pripravo merilnih celic smo pripravili tudi termoelemente, ki smo jih vstavili v peščene celice. V štiri croning merilne celice smo vstavili kvarčne cevke skozi katere smo vstavili termoelement tipa R. V preostale tri celice smo termoelemente, prehodno pomočene v premaz, namestili na ustrezno mesto v livni votlini celice.
Ko so bile peščene celice pripravljene, smo jih po robovih namazali z lepilom Klebeks C. V zvrtane luknje smo namestili ustrezne kvarčne cevke in skupaj stisnili spodnjo in zgornjo peščeno celico. Z lepilom smo nato namazali še zunanji rob na mestih, kjer se dve celici stikata, in na celice položili utež (slika 22).
20 Slika 22: Nanos lepila na robove obeh polovic celice z že vstavljeno kvarčno cevko
Na obeh straneh smo štirim celicam skozi zvrtani luknji vstavili termoelement tipa R (Pt-PtRh), in zaščitili obe žici s kvarčnimi cevkami. Kvarčne cevke so med ulivanjem jekla zaščitile termoelement.
Preostalim trem celicam smo robove namazali z lepilom Klebeks C. V zvrtani del smo na ustrezno mesto vstavili termoelement (slika 23).
Slika 23: Vstavitev termoelementa v celico, ki je imela robove premazane z lepilom
Vse celice so bile zlepljene po notranjih robovih, pa tudi po zunanjem robu, na mestih, kjer se dva dela stikata. Pustili smo, da se je vse dobro posušilo (slika 24).
Slika 24: Pripravljena merilna celica - obe žici termoelementa sta zaščiteni s kvarčno cevko in priključeni na kompenzacijski vodnik
21 Taljenje v indukcijski peči in ulivanje jekla je potekalo na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani. Ulivali smo jeklo AISI 316 (tabela 2).
Tabela 2: Kemijska sestava jekla AISI 316 (mas. %)
% C % Si % Mn % S % Cr % Ni % Cu % Mo % N
0,022 0,43 1,80 0,022 18,4 9,2 0,14 0,15 0,017
Štiri vnaprej pripravljene merilne celice izdelane po postopku Croning, smo pripravili na ulivanje jekla AISI 316 (slika 25).
Slika 25: Celice pripravljene na ulivanje jekla AISI 316
Preostale tri celice smo postavili na pesek, saj bi lahko prišlo do izliva taline, hkrati pa smo z izolacijsko volno zaščitili termoelemente in kompenzacijske vodnike (slika 26).
Slika 26: Croning peščene celice premazane, zalepljene in pripravljene na ulivanje
22 3.5. ULIVANJE
Jeklo AISI 316 je avstenitno krom-nikljevo nerjaveče jeklo, ki vsebuje med 2 - 3 mas.% Mo.
Vsebnost molibdena povečuje odpornost proti koroziji, izboljšuje odpornost in povečuje trdnost pri visokih temperaturah.
Postopka ulivanja smo se lotili v dveh serijah. V prvi seriji smo ulivanje izvedli v štirih merilnih celicah s SP in z NP (slika 27).
Slika 27: Postopek ulivanja jekla 316 v peščene celice
V prvi seriji preizkusov smo ulivali jeklo neposredno iz indukcijske peči. Pri prvem ulivanju se je celica zalepila na klešče in padla na tla, ostala ulivanja so potekala brez zapletov. Pozorno smo spremljali meritve temperature v odvisnosti od časa. Ko je temperatura padla pod 500℃, smo termoelemente odklopili in prenehali z merjenjem. Zaradi načina ulivanja merilne celice niso bile popolnoma napolnjene s talino.
V drugi seriji ulivanja smo ulivali jeklo v merilne celice s pomočjo livnega lonca, ki smo ga predgreli (slika 28).
Slika 28: Predgreti livni lonec s pomočjo katerega smo ulivali talino v merilne celice
23 Ulivanje jekla AISI 316 v predgret livni lonec je prikazano na sliki 29.
Slika 29: Ulivanje jekla AISI 316 v livni lonec
S kleščami smo predgreti livni lonec s staljenim jeklom AISI 316 prenesli ter talino ulili v merilne celice (slika 30).
Slika 30: Ulivanje jekla v merilno celico
Ker smo imeli pri tem načinu ulivanja večji nadzor nad ulito količino taline v merilne celice, so bile tudi celice bolj polne (slika 31). Tudi pri tej seriji smo meritev prekinili, ko je temperatura padla pod 500 ºC.
24 Slika 31: Strjeni ulitki v merilni celici
Ohlajenje ulitke smo previdno odstanili iz merilnih celic, jih vizualno pregledali in ugotavljali, kakšen je bil vpliv premaza na površino ulitkov.
Ob pregledu ulitkov smo morali biti pozorni na napake, ki se zgodijo med ulivanjem, na vpliv premaza na postopek, ugotavljali pa smo tudi, če se je pesek pripekel na ulitek (slika 32).
Slika 32: Strjeni in oštevilčeni ulitki
25
4. REZULTATI
4.1. REZULTATI VIZUALNE OCENE POVRŠINE ULITKOV 4.1.1. Prva serija ulivanja
Na slikah 33 - 40 so prikazane analize površine vzorcev jekla AISI 316 in ostanke merilnih celic po odstranitvi ulitka za prvo serijo ulivanja.
Pri prvem vzorcu U1 ni opaziti "pripečenega" peska s prostim očesom.
Temperatura litja se je v prvih seriji litja gibala okoli 1575℃.
Vrsta premaza:
SP
Slika 33: Posnetek površine vzorca U1
Slika 34: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U1 Ulitek:
U1
Temperatura litja:
1575℃
26 Na površini drugega vzorca U2 smo v napakah na površini ulitka opazili malo "pripečenega"
peska, ki smo označili z rdečim krogom.
Vrsta premaza:
SP
Slika 35: Posnetek površine vzorca U2, z
označenim mestom "pripečenega" peska Slika 36: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U2
Na površini tretjega vzorca U3 smo v napakah na površini ulitka opazili malo "pripečenega"
peska, ki smo označili z rdečim krogom.
Vrsta premaza:
NP
Slika 37: Posnetek površine vzorca U3, z
označenim mestom "pripečenega" peska Slika 38: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U3
27 Pri četrtem vzorcu U4 ni opaziti "pripečenega" peska s prostim očesom.
Vrsta premaza:
NP
Slika 39: Posnetek površine vzorca U4 Slika 40: Notranjost merilne celice z ostankom premaza vzorca U4
4.1.2. Druga serija ulivanja
Na slikah 41 - 43 so prikazane analize površine vzorcev jekla AISI 316 in ostanke merilnih celic po odstranitvi ulitka za drugo serijo ulivanja.
Pri petem vzorcu U5 ni peska na površini ulitka.
Vrsta premaza:
SP
Slika 41: Posnetek površine vzorca U5 Ulitek:
U5
Temperatura litja:
1572℃
28 Na površini šestega vzorca U6 smo opazili "pripečeni" peski, ki je na sliki 42 označen z rdečim krogom.
Vrsta premaza:
NP
Slika 42: Posnetek površine vzorca U6, z označenim mestom "pripečenega"
peska
Na površini sedmega vzorca U7 smo opazili penetracijo taline na delni ravni.
Vrsta premaza:
BP
Slika 43: Posnetek površine vzorca U7, z označenim mestom penetracije taline na delni ravnini
Ulitek:
U7 Temperatura
litja:
1581℃
Rezultat posnetka termokamere je prikazan na sliki 44. Razberemo lahko temperaturo taline jekla za drugo serijo ulivanja.
29 Slika 44: Posnetki termokamere v drugi seriji ulivanja, ki prikazujejo proces ulivanja z ustreznimi
temperaturami
4.2 OHLAJEVALNE KRIVULJE
Podatke meritev temperature v odvisnosti od časa smo obdelali v programu Origin 2016 in izrisali ohlajevalne krivulje. Iz krivulj lahko vidimo potek strjevanja jekla v merilni celici. V prvi seriji ulivanja je uspela le druga meritev (SP), v drugi seriji pa prva (SP). Ostale meritve niso bile primerne za obdelavo. Vzroki za neuspešne meritve enostavne termične analize so v zaščiti termoelemnta, ki mora biti boljša.
4.2.1. Prva serija ulivanja
Na sliki 45 je prikazana ohlajevalna krivulja vzorca U2, kjer smo uporabljali starejši premaz.
Iz grafa je razvidno, da se je temperatura najprej znižala, in sicer zaradi podhladitve. Ko je bil dosežen začetek strjevanja (1416,9 ºC), se je krivulja obrnila navzgor in začela naraščati. To se je odvijalo vse do temperature TL/MAX = 1420,7 ºC, ko se je krivulja ponovno obrnila navzdol do TS =1400,4 ºC, kjer se strjevanje konča.
Likvidus rekalescenca znaša:
∆TR = TL/MAX – TL/MIN =1420,7 ℃-1416,9 ℃ = 3,8 ℃
Podhladitev je razlika med ravnotežno in dejansko temperaturo kristalizacije. Pove nam, kako intenzivno poteka kristalizacija v podhlajeni talini.
30 Izračun temperature podhladitve:
TP = TL -TL/MIN = 1581,96℃ -1416,9℃ = 165,01℃
TL jeravnotežna likvidus temperatura, ki smo jo izračunali z pomočjo programa ThermoCalca (ravnotežni potek strjevanja).
Slika 45: Ohlajevalna krivulja vzorca U2
4.2.2. Druga serija ulivanja
Tudi pri drugem ulivanju smo se poslužili obeh, starejšega in novejšega premaza, ena celica je bila nepremazana.
Izrisali smo lahko le eno ohlajevalno krivuljo ter na njej določili livno temperaturo in temperaturo solidus. Na sliki 46 je ohlajevalna krivulja vzorca U5 s SP. Iz grafa je razvidno, da se je temperatura najprej znižala toda zaradi slabe zaščite termoelementov ni bilo možno izrisati ustreznega grafa. T? je prva najvišja zabeležena temperatura (1446,4 ºC), saj TL ni bila zaznana. Naslednja temperatura, ki smo jo lahko zaznalo je Ts (1369,7 ºC), kjer se je potek strjevanja zaključil.
31
Slika 46: Ohlajevalna krivulja U6
Zaradi prenizke livne temperature na krivulji ni zaznane likvidus temperature in zato ni bilo mogoče izračunati podhladitve in rekalescence.
T?= 1446,4℃
32
5. ZAKLJUČKI
V okviru diplomskega dela smo v sodelovanju s podjetjem Exoterm-it preučevali vpliv sol-gel komponente v vodnem premazu s cirkonskim polnilom (Aquadur ZP). Znano je, da sol znatno vpliva na izboljšanje površine ulitka.
Izvedli smo vizualno analizo površine ulitkov ter ugotavljali, koliko peska se je pripeklo na površino ulitkov. Ulivanje je potekalo v dveh serijah. V prvi seriji smo "pripečeni" pesek opazili na površini vzorcev U2 in U3, ta se je na vzorcih nahajal le v majhnih količinah. Notranjost croning merilne celice je bila v primeru U2 premazana s SP in v primeru U3 z NP. V drugi seriji ulivanja je "pripečeni" pesek ostal prilepljen na površino vzorcev U6 in U7. Notranjost merilne celice je bila pri U6 premazana z NP, pri vzorcu U7 pa notranjosti celice nismo premazali.
Meritve so pokazale, da se je premaz učinkovit v prepečevanju reakcije med formo in talino, ter da je pripomogel k zmanjšanju "pripečenega" peska na vzorcih ulitkov.
Pri analiziranju ulitkov smo gledali predvsem na to, kakšne površinske napake so se pojavile na ulitku. Ko smo talino ulivali v merilne celice, se je na ulitkih videla velika razlika med premazanimi in nepremazano merilno celico. Površine ulitkov pri uporabi premaza so boljše, in imajo manj napak zaradi "pripečenega" peska, kot v primeru, ko premaza nismo uporabili.
Premazi so narejeni na vodni osnovi, zato so okolju bolj prijazni od tistih na bazi alkohola. Smo pa za sušenje premaza zato potrebovali več časa. Ugotovili smo tudi, da premaz ni reagiral s formo ali z ulitkom in je zagotavljal kemično in termično obstojnost.
Meritve enostavne termične analize so težavne zaradi visoke livne temperature. Za zanesljivost meritev je potrebno bol učinkovito zaščititi termoelemnt in zagotoviti dovolj visoko temperaturo litja. Potek ohlajevalnih krivulj kaže, da dodatek sol-gel komponente ne vpliva bistveno na potek strjevanja jekla AISI 316.
33
6. VIRI IN LITERATURA
[1] PIERRE, A. C. Introduction to Sol-Gel Processing. New York : Springer Nature, 1998, 394 str.
[2]NWAOGU, U. C., TIEDJE, N. S. New Sol-Gel Coatings to Improve Casting Quality.
Danska : DTU Mechanical Engineering, 2011, 344 str.
[3] ZARZYCKI, J. Past and Present of Sol-Gel Science and Technoogy. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 1997, vol. 8, iss. 1-3, str. 17-22.
[4] CORRIU, R., ANH, N. T. Molecular Chemistry of Sol- Gel Derived Nanomaterials. New York : Wiley, 2009, 208 str.
[5] SCHUBERT, U., HÜSING, N. Synthesis of Inorganic Materials. Weinhein : Wiley, 2005, 429 str.
[6]BROWN, J. R. Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook. Oxford : Pergamon Press 2000, 384 str.
[7] TRBIŽAN, M. Livarstvo : interna skripta. Ljubljana : Naravoslovnotehnična fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, 1983, 278 str.
[8] Digit Panda - Casting & forging industry : new opportunities from manufacturer : growth rate [online]. Digit Panda, 2020, [citirano 1. 8. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:
<https://thedigitpanda.com/casting-forging-industrynew-opportunities-from-manufacturergrowth-rate/>.
[9] NWAOGU, U., SKAT TIEDJE, N. Foundry Coating Technology : A review. Materials Sciences and Applications, 2011, vol. 2, iss. 8, str. 1143-1160.
[10] TERMIT d.d. – Podatki o premazih [online]. TERMIT d.d., 2018, [citirano 1.8.2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.termit.si/premazi/>.
[11] Aremco – High Temperature Refractory Coatings [online]. Aremco, 2021,
[citirano 1.8.2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.aremco.com/high-temp-refractory-coatings/>.
[12] B2B Portal For Technical And Commercial Foundry Management – Added value with optimised cleaning processe [online]. Foundry – Planet.com, 2021, [citirano 1. 8. 2021].
Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.foundry-planet.com/d/added-value-with-optimised-cleaning-processes/>.
[13] Dip coating process – Dip coating [online]. Nadetech Innovations, 2017, [citirano 1.8.2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.alibaba.com/product-detail/paint-for-lost-foam-casting-process_60679017159.html/>.
[14] ŽBONTAR, M. Toplotna in kemijska obstojnost SOL-GEL premaza s cirkonskim polnilom : magistrsko delo. Ljubljana, 2018, 68 str.