ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19
36/19
Archives of Foundry
Year 2006, Volume 6, Book 19
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
ŻELIWO NA FORMY SZKLARSKIE
M.S. SOIC
SKI1, T. WARCHALA2
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 glassmaking industry, grey cast iron, nodular cast iron, ver-
micular cast iron, cast thermal conductivity, elevated temperature, ther-
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
1100oC do 1200oC. Powoduje to nagrzewanie się jej warstwy wierzchniej do temperatur
powyżej 700oC, a więc powyżej krytycznych z punktu widzenia utleniania zewnętrzne-
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.
289
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]:
Rm �� A �� l�
k =� ,
(1)
E �� b� �� D�Rm
gdzie: k  współczynnik odporności na wstrząsy cieplne,
Rm - wytrzymałość doraz
na na rozciąganie, MPa,
A - wydłużenie względne, %,
l� - współczynnik przewodności cieplnej, W/(m��K),
E - moduł sprężystości podłużnej, MPa,
b� - współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, K-1,
D�Rm. - spadek wytrzymałości na rozciąganie ze wzrostem temperatury, MPa�� K-1.
Ze wzrostem temperatury właściwości te, poza A i b�, 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 Rm i A). Jednakże, na
290
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
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)
b�,
Rm. , MPa A, % E0, GPa
l�, W/(m��K)
Rodzaj żeliwa x10-6K-1 k
200C 5000C 200C 5000C 200C 5000C 200C 5000C
0 �� 5000C
Szare niesto-
220 170 0,7 1,4 52 43 130 102 13,0 26721
powe
Szare nisko-
320 280 0,6 1,2 44 40 140 121 13,1 29345
stopowe1)
Wermikularne
300 230 6 10 45 40 140 112 12,2 176245
ferrytyczne
Sferoidalne
400 295 18 21 38 35 169 140 13,2 250665
ferrytyczne
1)
Cr <0,5%, Mo d" 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]:
E �� b� �� D�T
s�th =�
(2)
2 (�1 -� m�)�
gdzie: �th  naprężenia cieplne, MPa,
E, � i "T  jak we wzorze (1),
ź - 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
291
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 � 1100oC).
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)
Temperatura / Różnica temperatur (D�T 0C )
1000C 5000C
Właściwości
1000  200 = 800C 5000  200 = 4800C
Szare Szare Wermi- Sfero- Szare Szare Wermi- Sfero-
Rodzaj niesto- nisko- kularne idalne niesto- nisko- kularne idalne
żeliwa powe topo- ferryty- ferry- powe stopo- ferryty- ferryty-
we1) czne tyczne we1) czne czne
Moduł E,
120 132 136 155 102 121 112 140
GPa
Współczyn-
nik rozsze-
rzalności
9,8 9,9 9,8 11,4 13,0 13,1 12,2 13,2
cieplnej b�,
��10-6��K-1
Liczba
0,26 0,26 0,275 0,265 0,25 0,25 0,27 0,26
Poissona m�
Naprężenia
cieplne s�th,
59,3 70,6 73,5 96,2 424,3 507,2 449,2 599,3
MPa
Współczyn-
nik prze-
wodności
52 44 45 38 43 40 40 35
cieplnej l�,
W/(m��K)
Współczyn-
nik wzrostu
1,0 1,18 1,16 1,37 1,0 1,07 1,07 1,23
naprężeń
c = l�1 / l�x 2)
1)
Cr < 0,5%, Mod" 0,5%
2)
l�1  współczynnik przewodności cieplnej żeliwa szarego niestopowego, l�x  współczynnik
przewodności cieplnej danego żeliwa.
Bardzo interesującą, pogłębioną analizę porównawczą struktury żeliwa na for-
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-
292
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
ści naddatku na obróbkę, natomiast druga  strefie najpóz
niej 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 OMCO BRK
Osnowa metalowa na głębokości: 5 mm ferrytyczna ferrytyczna ferrytyczna
30 mm ferryt.-perlit. ferryt.-perlit. ferryt.-perlit.
Kształt wydzieleń grafitu na głębokości: 5 mm wermikularny wermikularny wermikularny
30 mm płatkowy C płatkowy C wermikularny
Maksymalna wielkość grafitu na głębokości:
5 mm [źm] 30 � 50 15 � 18 6 � 10
30 mm < 1 < 1 < 1
[mm]
Powierzchnia zgładu zajęta przez grafit, % 40 � 45 26 � 30 20 � 25
pseudo- pseudo-
nie stwier-
podwójna, podwójna,
Eutektyka fosforowa dzono obec-
równomiernie równomiernie
ności
rozmieszczona rozmieszczona
Odległość między dendrytami, źm 120 90 60
Odległość między gałęziami dendrytów, źm 13 12 8
Maksymalny wymiar międzydendrytycznych
1 0,3 0,2
kolonii grafitu, źm
Powierzchnia zajęta przez grafit wewnątrz
70 � 80 51 � 72 45 � 64
kolonii, %
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, mate-
riałem, spełniającym wymagania stawiane żeliwu na formy dla przemysłu szklarskiego,
jest żeliwo o pośrednich formach grafitu, np. żeliwo wermikularne o osnowie ferrytycz-
293
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
z
ródło wtrąceń niemetalicznych w postaci tlenków i siarczków. Ilość manganu nie p o-
winna przekraczać 0,4%. Zawartość siarki powinna być jak najmniejsza (d" 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 Gu�eisen. Springer Verlag. Berlin-G�tingen-
Heidelberg. 1961.
[2] C. Podrzucki: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. Tom II, Wydawnic-
two ZG STOP, Kraków 1991.
[3] E. Nechtelberger: Gu�eisenwerkstoffe. Eigenschaften unlegierter und niedrigle-
gierter Gu�eisen mit Lamellengraphit/Kugelgraphit/Vermiculargraphit im Tempe-
raturbereich bis 500oC. Teil 1, 2, 3. Fachverlag Schiele & Sch�n GmbH, Berlin
1977.
[4] J. Riposan, L. Sofroni, M.Chisamera: Verschlie�verhalten von Gu�eisen mit Ver-
miculargraphit bei trockener Reibung. Giesserei-Praxis. 1978 nr 21 s. 351-357
[5] A.E. Sztejnach i in.: Opyt primenenia czuguna s vermikuljarnym grafitom dla stie-
kloform. Litejnoje Proizvodstvo 1987, nr 5, s. 31.
[6] S.P. Korolew, V.M. Korolev, D.N. Chubokormov: Czugun s vermikuljarnym grafi-
tom  matrerial dla stiekloform. Litejnoje Proizvodstvo 1996, nr 1, s. 6�8.
[7] I.V. Gavrilin: Struktura i svoistva żarostoikovo i iznosostojkovo czuguna dla izogo-
tovlenija stiekloform. Litejnoje Proizvodstvo 2001, nr 8, s. 5�6.
CAST IRON MOULDS FOR GLASSMAKING INDUSTRY
SUMMARY
Operating conditions for moulds for glassmaking industry and resulting mate-
rial requirements have been presented. Taking this into account, the comparative as-
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 prefer-
ence of vermicular ferritic cast iron is justifiable.
Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Jan Szajnar
294