ARCHIWUM ODLEWNICTWA

289

36/19

ŻELIWO NA FORMY SZKLARSKIE

M.S. SOIŃSKI

1

, T. WARCHALA

2

Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej,

42-200 Częstochowa, Al. Armii Krajowej 19.

STRESZCZENIE

Przedstawiono warunki pracy form szklarskich i wynikające stąd wymagania

materiałowe. Na tym tle dokonano oceny porównawczej żeliwa szarego niestopowego,
niskostopowego, wermikularnego ferrytycznego oraz sferoidalnego ferrytycznego.
Wykazano zasadność preferencji żeliwa wermikularnego ferrytycznego.

Key words: moulds for glassmak ing industry, grey cast iron, nodular cast iron, ver-

micular cast iron, cast thermal conductivity, elevated temperature, the r-
mal shock

1. WPROWADZENIE

Formy szklarskie stanowią specyficzną grupę odlewów, najczęściej żeliwnych,

charakteryzujących się względnie dużą grubością ścianki (> 40 mm) w stosunku do
wymiarów gabarytowych oraz trudnymi warunkami pracy. Temperatura masy szklanej,
wprowadzanej do wnęki roboczej przedmiotowej formy, mieści się w granicach
1100

o

C do 1200

o

C. Powoduje to nagrzewanie się jej warstwy wierzchniej do temperatur

powyżej 700

o

C, a więc powyżej krytycznych z punktu widzenia utleniania zewnętrzn e-

go i wewnętrznego oraz przemian w stanie stałym. Wzrastają wewnętrzne naprężenia
cieplne, wynikające z gradientu temperatury na grubości ścianki. Wynikające, z rytmu
produkcyjnego, cykliczne zmieniające się temperatury podczas napełniania i opróżnia-
nia formy, powodują występowanie efektu wstrząsów cieplnych. Powstające na tym tle
problemy ujawniają się ze szczególną siłą w warunkach masowej produkcji opakowań

1

Dr hab. inż., prof. PCz

2

Doc. dr inż.

Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19
Archives of Foundry
Year 2006, Volume 6, Book 19

PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308

290

szklanych. Stąd też, omawiane odlewy, wyróżniają się szczególnymi wymaganiami
materiałowymi, niekiedy wzajemnie się ograniczającymi.
Do wymagań tych E. Piwowarsky [1] zalicza (bez rangowania ważności):
-

drobnoziarnistą i zwartą strukturę,

-

dobrą skrawalność i zdolność do polerowania,

-

dobrą przewodność cieplna,

-

odporność na utlenianie w podwyższonych temperaturach,

-

mały współczynnik rozszerzalności cieplnej,

-

małą skłonność do rośnięcia w podwyższonych temperaturach,

-

odporność na zmęczenie cieplne,

-

brak skłonności do przywierania masy szklanej,

-

odporność na zużycie mechaniczne.

Nawet pobieżna ocena wymienionych wymagań wykazuje, że nie jest możliwe spełnie-
nie wszystkich wymogów na równie wysokim poziomie.

2. OPTYMALNA STRUKTURA ŻELIWA

Bez wątpienia, dotrzymanie większości oczekiwań wymaga zapewnienia od-

lewom form jednorodnej, drobnoziarnistej i stabilnej struktury, o dobrej przewodności
cieplnej i znaczących właściwościach wytrzymałościowych. Pewną miarą jakości żeli-
wa, pracującego w podwyższonych temperaturach, może być współczynnik Decropa,
określający odporność na wstrząsy cieplne [2]:

m

m

R

E

A

R

k

















,

(1)

gdzie: k – współczynnik odporności na wstrząsy cieplne,

R

m

- wytrzymałość doraźna na rozciąganie, MPa,

A - wydłużenie względne, %,



- współczynnik przewodności cieplnej, W/(m



K),

E - moduł sprężystości podłużnej, MPa,



- współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, K

-1

,



R

m.

- spadek wytrzymałości na rozciąganie ze wzrostem temperatury, MPa



K

-1

.

Ze wzrostem temperatury właściwości te, poza A i



, maleją, co uwidacznia tabela 1.

Zawarte w niej liczby są przybliżone, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze. Obli-
czone na ich podstawie wartości współczynnika k podstawowych rodzajów żeliwa uj-
muje kolumna ostatnia. Przewaga żeliwa z izolowanymi wydzieleniami grafitu jest tu
bezsporna. Komentarza wymaga jednak dosyć duża przewaga żeliwa sferoidalnego nad
żeliwem wermikularnym. To prawda, pęknięcia spowodowane wstrząsami cieplnymi
w odlewach z żeliwa sferoidalnego pojawiają się po większej liczbie cykli nagrzewania
i chłodzenia niż w odlewach z żeliwa wermikularnego (mniejsza R

m

i A). Jednakże, na

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

291

skutek mniejszej przewodności cieplnej, powstające w odlewach z żeliwa sferoidalnego
gradienty temperatur są większe i odlewy zaczynają się trwale odkształcać, jeszcze
przed pojawianiem się pęknięć. Przekreśla to możliwość dalszej ich eksploatacji.

Tabela 1. Porównanie wybranych właściwości podstawowych rodzajów żeliwa (na podstawie [3])
Table 1. Comparison of selected properties of main cast iron types (based on Ref. 3)

Rodzaj żeliwa

R

m.

, M Pa

A, %



, W/(m



K)

E

0

, GPa



,

x10

-6

K

-1

k

20

0

C 500

0

C 20

0

C 500

0

C 20

0

C 500

0

C 20

0

C 500

0

C 0



500

0

C

Szare niesto-
powe

220

170

0,7

1,4

52

43

130

102

13,0

26721

Szare nisko-
stopowe

1)

320

280

0,6

1,2

44

40

140

121

13,1

29345

Wermikularne
ferrytyczne

300

230

6

10

45

40

140

112

12,2

176245

Sferoidalne
ferrytyczne

400

295

18

21

38

35

169

140

13,2

250665

1)

Cr <0,5%, Mo ≤ 0,5%

Uzasadnieniem tych rozważań może być przybliżona ocena różnicowania się

naprężeń cieplnych w odlewach z rozpatrywanych wyżej rodzajów żeliwa, zamieszczo-
na w tabeli 2. Wielkość naprężeń cieplnych obliczono w oparciu o wzór [3]:





















1

2

T

E

th

(2)

gdzie:

σ

th

– naprężenia cieplne, MPa,

E, β i ΔT – jak we wzorze (1),

μ

- współczynnik Poissona.

Przyjmując, jako punkt odniesienia, przewodność cieplną żeliwa szarego nie-

stopowego, otrzymano współczynniki wzrostu naprężeń c, będące ilorazem współczyn-
nika przewodności cieplnej tegoż żeliwa i każdego z pozostałych jego rodzajów, od-
dzielnie. Żeliwo sferoidalne wykazało największą wartość omawianego współczynn ika.
Większa przewodność cieplna żeliwa wermikularnego aniżeli żeliwa sferoidalnego
wynika, między innymi, z faktu, iż to pierwsze charakteryzuje się około dwa razy więk-
szą liczbą komórek eutektycznych [4]. Tym samym, odległości między wydzieleniami
grafitu, głównej przyczyny dobrej przewodności cieplnej żeliwa, są tu znacznie mniej-
sze niż w przypadku żeliwa sferoidalnego Należy tu dodać, że współczynnik przewo d-
ności cieplnej grafitu wynosi (średnio) 220 W/(m



K), podczas gdy ferrytu 72,5

W/(m



K), perlitu 53,5 W/( m



K), a cementytu tylko 7 W/(m



K) [2].

Z badań A.E. Sztejnbacha i in. [5] nad odpornością na zmęczenie cieplne n i-

skostopowego żeliwa szarego, wermikularnego i sferoidalnego wynika, że najlepszą
odpornością na udary cieplne cechuje się ferrytyczne żeliwo wermikularne i sferoidalne

292

zawierające – w obu przypadkach – molibden. W pracy [6] stwierdzono, że formy
szklarskie z żeliwa wermikularnego ferrytyczno-perlitycznego wykazały dwukrotnie
większą trwałość aniżeli analogiczne formy z żeliwa szarego gatunku 200 z dodatkiem
niklu i miedzi (temperatura kształtowania masy szklarskiej 1000 ÷ 1100

o

C).

Tabela 2. Ocena porównawcza wielkości naprężeń cieplnych w zależności od rodzaju żeliwa

i temperatury otoczenia (na podstawie [3] )

Table 2. Comparative assessment of values of thermal stresses depending on the cast iron type

and ambient temperature (based on Ref. 3)

Właściwości

Temperatura / Różnica temperatur (



T

0

C )

100

0

C

100

0

– 20

0

= 80

0

C

500

0C

500

0

– 20

0

= 480

0

C

Rodzaj
żeliwa

Szare
niesto-
powe

Szare
nisko-
topo-
we

1)

Wermi-
kularne
ferryty-
czne

Sfero-
idalne
ferry-
tyczne

Szare
niesto-
powe

Szare
nisko-
stopo-
we

1)

Wermi-
kularne
ferryty -
czne

Sfero-
idalne
ferryty -
czne

M oduł E,
GPa

120

132

136

155

102

121

112

140

Współczyn-
nik rozsze-
rzalności
cieplnej



,



10

-6



K

-1

9,8

9,9

9,8

11,4

13,0

13,1

12,2

13,2

Liczba
Poissona



0,26

0,26

0,275

0,265

0,25

0,25

0,27

0,26

Naprężenia
cieplne



th

,

M Pa

59,3

70,6

73,5

96,2

424,3

507,2

449,2

599,3

Współczyn-
nik prze-
wodności
cieplnej



,

W/(m



K)

52

44

45

38

43

40

40

35

Współczyn-
nik wzrostu
naprężeń
c =



1

/



x

2)

1,0

1,18

1,16

1,37

1,0

1,07

1,07

1,23

1)

Cr < 0,5%, M o≤ 0,5%

2)



1

– współczynnik przewodności cieplnej żeliwa szarego niestopowego,



x

– współczynnik

przewodności cieplnej danego żeliwa.

Bardzo interesującą, pogłębioną analizę porównawczą struktury żeliwa na fo r-

my szklarskie produkcji czeskiej, niemieckiej i amerykańskiej, przedstawił J.W. Gawri-
lin [7]. Badania prowadzono w odległości 5 mm oraz 30 mm, licząc od powierzchni
surowej wnęki formy, ukształtowanej w kokili. Pierwsza odległość odpowiada wielko-

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

293

ści naddatku na obróbkę, natomiast druga – strefie najpóźniej krzepnącej, a więc naj-
mniej zwartej, limitującej przewodność cieplną formy jako całości. W strefie tej nie
dopuszcza się występowania pęcherzy oraz porowatości skurczowej, pożądane są nat o-
miast duże wydzielenia grafitu płatkowego, zapewniające najlepszą przewodność ciep l-
ną. Rezultaty badań ujmuje tabela 3. Jednorodność mikrostruktury oceniano jako stos u-
nek wielkości najmniejszych komórek eutektycznych do komórek największych,
w trzech różnych polach widzenia. Powierzchnia wydzieleń grafitu wewnątrz komórek
eutektycznych określa skłonność żeliwa do wypalania węgla w podwyższonych tempe-
raturach, zanieczyszczenia w ferrycie charakteryzują odporność na inicjowanie pęknięć,
natomiast jednorodność struktury jest miarą stabilności oraz poziomu technologicznego
wytopu żeliwa. Można się zgodzić z tezą autora pracy [7], że żeliwo firmy BRK należa-
łoby, póki co, przyjąć jako standard w przemyśle szklarskim.

Tabela 3. Cechy struktury badanego żeliwa na formy szklarskie [7]
Table 3. Characteristics of cast iron used for moulds for glassmaking industry

Cecha

Żeliwo

„czeskie”

OM CO

BRK

Osnowa metalowa na głębokości: 5 mm
30 mm

ferrytyczna
ferryt.-perlit.

ferrytyczna

ferryt.-perlit.

ferrytyczna

ferryt.-perlit.

Kształt wydzieleń grafitu na głębokości: 5 mm
30 mm

wermikularny

płatkowy C

wermikularny

płatkowy C

wermikularny
wermikularny

Maksymalna wielkość grafitu na głębokości:
5 mm [μm]
30 mm
[mm]

30 ÷ 50

< 1

15 ÷ 18

< 1

6 ÷ 10

< 1

Powierzchnia zgładu zajęta przez grafit, %

40 ÷ 45

26 ÷ 30

20 ÷ 25

Eutektyka fosforowa

pseudo-

podwójna,

równomiernie

rozmieszczona

pseudo-

podwójna,

równomiernie

rozmieszczona

nie stwier-

dzono obec-

ności

Odległość między dendrytami, μm

120

90

60

Odległość między gałęziami dendrytów, μm

13

12

8

Maksymalny wymiar międzydendrytycznych
kolonii grafitu, μm

1

0,3

0,2

Powierzchnia zajęta przez grafit wewnątrz
kolonii, %

70 ÷ 80

51 ÷ 72

45 ÷ 64

Zanieczyszczenie ferrytu wtrąceniami, %

10 ÷ 16

3 ÷ 10

2 ÷ 8

Jednorodność mikrostruktury

0,001

0,03

0,02

3. PODSUMOWANIE

Na podstawie rozważań teoretycznych, a także w oparciu o wyniki szeregu

prac badawczych można stwierdzić, że najodpowiedniejszym, w chwili obecnej, mat e-
riałem, spełniającym wymagania stawiane żeliwu na formy dla przemysłu szklarskiego,
jest żeliwo o pośrednich formach grafitu, np. żeliwo wermikularne o osnowie ferrytycz-

294

nej. Jego skład chemiczny powinien być bliski składowi eutektycznemu, zapewniają-
cemu w miarę drobne i liczne wydzielenia grafitu wermikularnego, bez wydzieleń eu-
tektyki fosforowej i z możliwie jak najmniejszą ilością wtrąceń niemetalicznych. Za-
wartość węgla powinna być możliwie wysoka (3,6 ÷ 3,9%), przy względnie małej za-
wartości krzemu (1,9 ÷ 2,5%). Z uwagi na korzystną dla form szklarskich rolę grafitu,
należałoby preferować udział węgla na górnej granicy przy jednocześnie mniejszej
zawartości krzemu. Także mangan nie jest składnikiem korzystnym i utrudnia otrzyma-
nie ferrytycznej osnowy, wykazuje skłonność do segregacji, stanowiąc jedn ocześnie
źródło wtrąceń niemetalicznych w postaci tlenków i siarczków. Ilość manganu nie p o-
winna przekraczać 0,4%. Zawartość siarki powinna być jak najmniejsza (≤ 0,01%),
zawartość fosforu także należy ograniczyć (poniżej 0,07%). Przy ustalaniu ostatecznego
składu chemicznego żeliwa należy uwzględnić także grubość ścianki odlewu formy.

LITERATURA

[1] E. Piwowarsky: Hochwertiges Gußeisen. Springer Verlag. Berlin-Götingen-

Heidelberg. 1961.

[2] C. Podrzucki: Żeliwo. Struk tura, właściwości, zastosowanie. Tom II, Wydawnic-

two ZG STOP, Kraków 1991.

[3] E. Nechtelberger: Gußeisenwerk stoffe. Eigenschaften unlegierter und niedrigl e-

gierter Gußeisen mit Lamellengraphit/Kugelgraphit/Vermiculargraphit im Temp e-
raturbereich bis 500

o

C. Teil 1, 2, 3. Fachverlag Schiele & Schön GmbH, Berlin

1977.

[4] J. Riposan, L. Sofroni, M.Chisamera: Verschließverhalten von Gußeisen mit Ver-

miculargraphit bei trock ener Reibung. Giesserei-Praxis. 1978 nr 21 s. 351-357

[5] A.E. Sztejnach i in.: Opyt primenenia czuguna s vermik uljarnym grafitom dla sti e-

k loform. Litejnoje Proizvodstvo 1987, nr 5, s. 31.

[6] S.P. Korolew, V.M. Korolev, D.N. Chubokormov: Czugun s vermik uljarnym grafi-

tom – matrerial dla stiek loform. Litejnoje Proizvodstvo 1996, nr 1, s. 6÷8.

[7] I.V. Gavrilin: Struk tura i svoistva żarostoik ovo i iznosostojk ovo czuguna dla izog o-

tovlenija stiek loform. Litejnoje Proizvodstvo 2001, nr 8, s. 5÷6.

CAST IRON MOULDS FOR GLASSMAKING INDUSTRY

SUMMARY

Operating conditions for moulds for glassmaking industry and resulting mat e-

rial requirements have been presented. Taking this into account, the comparative a s-
sessment of non-alloyed grey cast iron, low-alloyed cast iron, vermicular ferritic cast
iron, and nodular ferritic cast iron has been performed. It has been proved that prefe r-
ence of vermicular ferritic cast iron is justifiable.

Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Jan Szajnar