Filtertype og design af indløbssystems indflydelse på bearbejdeligheden af gråt jern støbt i lodret delte forme Indledning Denne artikel beskriver indflydelsen af forskellige gennemprøvede typer filtre og design af indløbssystemer på bearbejdeligheden af gråt jern støbt i lodret delte forme. Støberier, der producerer på anlæg med lodret delte forme, vil ofte forsøge at undgå at bruge filtre, da brugen af filtre, i nogle tilfælde vil betyde forøgede takttider. Som følge heraf har brugen af filtre været relativt begrænset. Kravene til kvalitet er forøget i den senere tid, hvilket har ført til fornyet interesse for brug af filtre. Denne artikel vil beskæftige sig med gods i gråt jern, så som bremseskiver, bremsetromler og koblingsplader. De her beskrevne resultater er opnået gennem undersøgelser, teoretisk viden og støbeforsøg. Hensigten med denne artikel er at vise, at problemerne ved brug af filtre ved lodret delte forme kan løses samtidig med at godsets egenskaber forbedres. Mulige placeringer af filtre i en lodret delt form Hvis der sidder modeller i to eller flere niveauer, er der ofte ikke andre muligheder end at placere filteret i den øverste del af formen. Et filter placeret i denne position vil holde slagge tilbage, men en stor del af den fordelagtige indflydelse på strømningen af jernet vil gå tabt på grund af ukontrolleret strømning efter filteret. 18 Hvis filteret er placeret i bunden af formen, kan det forøgede ferrostatiske tryk betyde højere hastigheder på metallet igennem filteret. Dette forøger risikoen for at slagge bliver presset med igennem filteret og ind i godset. Med disse problemer i baghovedet, er designet af indløbssystemer for lodret delte forme blevet revideret. De følgende ændringer blev fundet nyttige for at sikre ikke-turbolent fyldning af formene. Nedløb med overlap Et overlap i nedløbet fremkommer, når kanalen skifter fra at ligge på svingpladesiden til pressepladesiden før filteret. Fordelen er at det flydende metal ikke rammer direkte på filteret, og man kan placere et slaggekammer direkte foran filteret. Denne teknik er normal praksis ved vandret delte forme. En anden fordel ved denne teknik er, at kanalen fyldes hurtigere og derved Muligheder for design af indløbssystemer med filter til lodret delte forme Baggrund For gods, der bliver fyldt fra bunden, bør det for strømningen begrænsende tværsnitsareal være placeret i nedløbet efter filteret. Tværsnitsarealerne af kanaler herefter og indløbet til godset bør forøges for at reducere hastigheden på metallet, når det kommer ind i emnerne. For gods, der fyldes ind igennem siden, kan det begrænsende areal i løbssystemet igen være placeret i nedløbet. Tværsnitsarealet af indløbet til godset bør så forøges for at reducere hastigheden af metallet. Hvis godset fyldes fra toppen, skal det begrænsende tværsnitsareal i løbssystemet være tilslutningen til godset, ellers bliver løbssystemet ikke fyldt helt. Dette gælder specielt i den første del af fyldningen. Figur 1. Standard indløbssystem Figur 2. Indløbssystem med overlap og skråtstillet nedløb STØBERIET nr. 4, 2008 Figur 3. Metallet rammer grønsandskernen direkte Figur 4. Metallet kommer ind i godset med lavere hastighed og rammer ikke direkte ind på grønsandskernen Skråtstillede nedløb En måde at reducere metallets hastighed på, er at bruge skråtstillede nedløb med hældninger på ca. 10 til 15°. Dette design vil reducere det flydende metals hastighed væsentligt (figur 1 og 2). Indvirkningen på formfyldningen kan være væsentlig, specielt under de første kritiske sekunder når metallet kommer ind i formen (figur 3 og 4). ler fyldes næsten udelukkende fra bunden, strømningen af metallet når det kommer ind i godset er kritisk. På dette tidspunkt i formfyldningen er der ikke noget modtryk og metallet kan skyde ind i godset som et springvand. Dette kan resultere i godsfejl som følge af oxidation og erosion af sandformen. For at minimere denne effekt kan metallets strømningsretning brydes ved at tilføje en vinkel på 45° i indløbet til godset (figur 5 og 6). Design af indløb til godset Gods som bremseskiver og trom- Forsøg med bearbejdelighed For at teste nogle af de ovenfor reduceres sandsynligheden for gasindeslutninger. Figur 5. Skråtstillet indløb til gods STØBERIET nr. 4, 2008 nævnte teorier blev bearbejdeligheden testet i samarbejde med et af de førende europæiske DISA støberier og et amerikansk universitet. Bearbejdelighed bliver påvirket af mange forskellige faktorer, indflydelsen fra de forskellige faktorer kan ændre sig fra støberi til støberi. Denne undersøgelse kan derfor kun give et groft overblik over de forskellige faktorer, som kan have indflydelse på bearbejdeligheden. En massiv bremseskive blev valgt til forsøgene. Dette blev gjort for at undgå at kerneilægningen skulle påvirke resultaterne. Figur 6. Indløb til gods med vinkel på 45° 19 Tabel 1 viser resultaterne: System 1 2 3a 3b 3c 4a 4b 4c 5a 5b 5c Støbe- Støbetid temperatur [s] [°C] 1410 10 1405 7,5 1410 6,0 1417 5,4 1408 5,4 1403 5,0 1402 5,2 1411 5,4 1406 5,6 1404 5,6 1404 5,2 Antal stykker gods 80 90 86 72 92 79 85 82 83 85 85 Overflade- fejl Side 1 278 583 215 177 285 56 33 22 46 19 13 Overflade- fejl Side 2 178 636 303 245 341 49 24 26 79 11 10 Samlet antal fejl 456 1219 518 422 626 105 57 48 125 30 23 Gennemsnit antal fejl pr stykke gods 5,7 13,5 6,0 5,9 6,8 1,3 0,7 0,6 1,5 0,4 0,3 Udførte forsøg Der blev gennemført forsøg med et presset filter med en huldiameter på 1,5 mm, et ekstruderet filter med 300 csi, og et 30 ppi SEDEX filter. Alle filtrene var 50x50x15 mm. Der blev testet følgende indløbssystemer, der alle var designet til at afprøve koncepterne beskrevet tidligere. 1. Indløbssystem uden filter. Indløbet til godset var det begrænsende tværsnitsareal, løbssystemet havde et slaggefang. Dette layout blev leveret af støberiet 2. Det samme som 1, men uden slaggefang 3. Indløbssystem med filter placeret i den øvre del af formen, det begrænsende tværsnitsareal ligger i nedløbet (figur 7) a) Presset filter med en huldiameter på 1,5 mm b) Ekstruderet filter med 300 csi c) SEDEX 30 ppi filter 4. Indløbssystem med filter placeret i bunden af formen, det begrænsende tværsnitsareal ligger i nedløbet (figur 8) a) Presset filter med en huldiameter på 1,5 mm b) Ekstruderet filter med 300 csi c) SEDEX 30 ppi filter 5. Indløbssystem med filter placeret i bunden af formen, nedløb med overlap før filter, det begrænsende tværsnitsareal ligger i nedløbet (figur 9) a) Presset filter med en huldiameter på 1,5 mm b) Ekstruderet filter med 300 csi c) SEDEX 30 ppi filter Alle forsøg blev gennemført på samme formiddag for at sikre så ensartede forhold som muligt. Der 20 Figur 7. Indløbssystem med filter placeret i øvre del af formen Figur 8. Indløbssystem med filter placeret i bunden af formen Figur 9. Indløbssystem med filter placeret i bunden af formen og nedløb med overlap før filter STØBERIET nr. 4, 2008 Figure 10. CNC maskine med værktøj blev støbt ca. 100 emner med hvert layout, overfladefejlene blev talt efter bearbejdningen. Det gennemsnitlige antal fejl pr stykke gods blev beregnet. Iagttagelser fra forsøgene l Det re-designede indløbssystem (med filter) reducerede støbetiden væsentligt l Designet og forbindelsen til slaggefanget i forsøg 1 tillader ikke kortere støbetider uden at kvaliteten forringes væsentligt l Positionen af filteret har stor indflydelse på antallet af overfladefejl pr stykke gods. Dette kunne være grunden til, at mange støberier ikke registrerer noget fald i skrotniveauet, når filtrene er placeret et ineffektivt sted. Ydermere er mulighederne for at reducere støbetiderne ofte ikke taget i betragtning l De bedste resultater blev opnået med overlap i nedløbet og et SEDEX skumfilter. Efter denne vurdering blev bearbejdeligheden testet. På grund af de anselige udgifter hertil blev kun 4 ud af 11 systemer bearbejdet. De blev så sammenlignet med emner fremstillet med indløbssystemer uden filter og uden slaggefang. Til undersøgelsen af bearbejdeligheden blev der brugt metalværktøjer. Hastigheden blev holdt konstant ved 1500 SFM (7,62 m/s). Procedure brugt til bearbejdning: l Resterne af indløbene blev fjernet og disse områder blev bearbejdet l Bremseskiven blev spændt op i en CNC maskine og bearbejdningen foregik indefra og udefter som beskrevet herunder: Figure 11. Kurvetilpasning for slid af værktøjer ved afdrejning af bremseskiver i gråt støbejern. Materiale FSC02. Bearbejdning af ”SKIN” ved 1500 SFM STØBERIET nr. 4, 2008 21 Figur 12. Indløbssystem uden filter og uden slaggefang Figur 13. Indløbssystem med presset filter (1,5 mm huldiameter) og nedløb med overlap Figur 14. Indløbssystem med ekstruderet filter (300 csi) og nedløb med overlap Figur 15. Indløbssystem med SEDEX 50x50x15 / 30 ppi og nedløb med overlap 22 STØBERIET nr. 4, 2008 Denne procedure blev gentaget indtil et maksimalt slid på værktøjet på 0,025” var opnået for ”SKIN” og ”BULK” bearbejdning. Tre værktøjer blev brugt for hver serie (figur 10). En parameter for bestemmelse af bearbejdelighed er defineret som slid på værktøjet målt i tommer for en given mængde materiale fjernet målt i kubiktommer. Resultaterne blev registreret som beskrevet og plottet i en graf, der ses herunder (figur 11). Figur 12-15 viser resultaterne for forskellige indløbssystemer og filtertyper. Kommentarer til grafer: l Den vandrette akse angiver den fjernede mængde materiale i kubiktommer l Den lodrette akse angiver slid på værktøjet i tommer l Som referencepunkt blev et værktøjsslid på 0,020 tommer valgt, til sammenligningen af slid på værktøjet blev de tilsvarende mængder fjernet materiale fundet l De stiplede linier angiver variationen (standard afvigelse) l Jo stejlere den lige linie er, jo mere slid er der på værktøjet Diskussion l Gods støbt uden filter og slaggefang har flere overfladefejl. Bearbejdeligheden for ”SKIN” er derfor meget dårligere end bearbejdeligheden for ”BULK” l Når der bruges ekstruderede STØBERIET nr. 4, 2008 28.7 30.0 20.8 21.6 25.0 15.0 11.0 in. Skin 11.0 in. Bulk 5.0 11.7 10 in. Skin 9.1 in. Bulk 10.0 22.0 19.1 17.1 11.7 in. Skin 9.1 in. Bulk 20.0 6.5 in. Skin 10.6 in. Bulk l 2 spåner hver med en dybde på 0,5 mm. Denne del af bearbejdningen kaldes herefter ”SKIN”. Efter hver spån blev sliddet på værktøjet målt og registreret l 4 spåner hver med en dybde på 0,5 mm. Denne del af bearbejdningen kaldes herefter ”BULK”. Igen blev sliddet på værktøjet målt og registreret efter hver spån. 0.0 No slag trap - no filter RODEX 1.5mm hole dia. CELCOR 300csi SEDEX 30ppi set low in the mould set low in the mould set low in the mould with cross-over with cross-over with cross-over Total removed iron (in.) Improvement in comparison without filter (%) Figure 16. Sammenligning af mængde fjernet materiale ved et værktøjsslid på 0,020” eller pressede filtre, ses nogen forbedring. Bearbejdeligheden for ”SKIN” forbedres, men er varierende l Når der bruges SEDEX filtre bliver bearbejdeligheden af godset væsentligt forbedret. Værdierne for ”SKIN” og ”BULK” er næsten ens. Dette kunne tyde på, at der kun er meget få indeslutninger i overfladen. Når forskellene mellem pressede, ekstruderede og skumfiltre skal forklares, forestiller man sig, at pressede og ekstruderede filtre hurtigt kan skabe et modtryk, der vil forhindre at skidt fra istøberen trænger ind i formhulrummet. Men disse filtre er ikke så effektive, når det kommer til at fjerne indeslutninger igennem hele fyldeforløbet. Det betyder, at set over hele støbetiden vil skumfiltrene tilbageholde flere indeslutninger end de tilsvarende pressede og ekstruderede filtre. Resultaterne for bearbejdeligheden af ”SKIN” og ”BULK” blev sammenlignet med et indløbssystem uden filter og uden slaggefang. Resultaterne er vist i den følgende graf (figur 16). Resumé Grafen viser klart, at ved anvendelse af SEDEX filtre er bearbejdeligheden forbedret 30 % i forhold til gods produceret uden filtre. Designet af indløbssystemet og placeringen af filteret har stor indflydelse på godskvaliteten. Yderligere positive effekter når der bruges filtre kan være: reduceret støbetid, forbedret produktivitet og forbedret udbytte da der ikke er behov for et slaggefang. Disse punkter bør der ikke ses bort fra, når de totale udgifter beregnes, egenskaber som disse bliver ofte overset når brugen af filtre overvejes. Kilder: Casting Plant and Technology International, 04/2006 New possibilities for pouring systems with vertical mould partition Andreas Baier and Günter Strauch FOSECO GmbH, Borken Artiklen er bragt i Foundry News og er oversat for Støberiet af Viggo Haastrup. 23