Mosiądze ołowiowe przeznaczone do wytwarzania szerokiego asortymentu wyrobów armaturowych produkowane są, zarówno w krajowych jak i zagranicznych zakładach przetwórstwa metali, wyłącznie z surowców wtórnych, zwykle nisko klasyfikowanych. Z tego też powodu materiały te zawierają spore ilości zanieczyszczeń metalicznych i niemetalicznych, nie zawsze łatwych do usunięcia. Niektóre z tych zanieczyszczeń tworzą związki pierwiastków o sporej twardości tzw. „twarde wtrącenia”, które są przyczyną powstawania wad powierzchniowych na etapie produkcji półwyrobów i wyrobów armaturowych, obniżając ich jakość oraz parametry ekonomiczne.

            W pierwszym etapie pracy skupiono się na wykonaniu analizy metaloznawczej próbek mosiądzów armaturowych produkowanych przez firmy krajowe i zagraniczne. Na tej podstawie określono jakość produkowanych wyrobów oraz zidentyfikowano występujące wtrącenia. Do produkcji mosiądzów stosuje się we wszystkich przypadkach podobną strukturę wsadu, składającą się głównie z kwalifikowanych odpadów poprodukcyjnych oraz niskojakościowego złomu miedzi i cynku. W stosowanych złomach obserwować można duże ilości zanieczyszczeń w postaci emalii, resztek uszczelnień, emulsji, smarów, osadów kamienia wytrącającego się z wody i wielu innych. Przeprowadzona analiza składu chemicznego wlewków wykazała, że stopy produkcji zagranicznej różnią się w niewielkim stopniu składem od stopów krajowych (różnice widoczne są jedynie w zawartości ołowiu, aluminium i żelaza). Badania mikrostruktury próbek ujawniły obecność wydzieleń twardych cząstek, powstających w trakcie krystalizacji stopów. Analiza ich składu chemicznego wykazała, że są to prawdopodobnie fazy międzymetaliczne oparte głównie na związkach Fe, Si i Al, a także Mn, Cr i Ni. Najbardziej aktywne w tworzeniu się powstających faz są w tym przypadku żelazo, krzem i aluminium.

            W kolejnym etapie badań określono wpływ wsadu na powstawanie twardych wtrąceń. Do tego celu zakupiono w Hutmen Wrocław wsad stosowany do produkcji mosiądzów ołowiowych w postaci: (a) złomu armaturowego, (b) wiórów poprodukcyjnych, (c) złomu cynku, (d) złomu miedzi. Przeprowadzone próby topienia i odlewania stopów z różnym udziałem poszczególnych gatunków złomów wykazały, że najwyższy poziom zanieczyszczeń posiadają stopy wytworzone z dużym udziałem złomów wiórowych i armaturowych (Fe – 0,43 % m/m). Natomiast zastosowanie jako materiału wsadowego złomu miedzi i cynku (oraz dodatku ołowiu), mimo jego niskiej jakości, spowodowało uzyskanie materiału o najniższym stopniu zanieczyszczeń (Fe – 0,009 % m/m). Na podstawie tych badań stwierdzono, że zwiększenie udziału procentowego złomu armaturowego i wiórowego we wsadzie, powoduje zwiększenie poziomu zanieczyszczeń.

            Jednym z kierunków badań było także określenie wpływu różnych dodatkowych zabiegów technologicznych na eliminację twardych wtrąceń w badanych stopach. Przeprowadzono szereg prób topienia i odlewania stopów z zastosowaniem: (a) pokrycia ochronnego Unitop M, (b) filtra do ciekłego metalu podczas odlewania, (c) pokrycia ochronnego Unitop M wraz z filtrem. Na podstawie tych badań stwierdzono, że stosowanie filtrów wpływa w niewielkim stopniu na zmniejszenie ilości wtrąceń. Najlepsze efekty uzyskuje się natomiast stosując kombinację pokrycia rafinująco-ochronne Unitop M z filtrem.

            Dla badań zmierzających do potwierdzenia uzyskanych wyników oraz przyjętych założeń wytworzono w ramach pracy stanowiska laboratoryjnego do rafinacji i filtracji kąpieli metalowej. W skład tego stanowiska weszły indukcyjny piec otwarte oraz urządzenie mieszające ciekłą kąpiel wyposażone w obrotową lancę wraz z doprowadzeniem gazu ochronnego. W celu oceny jakości uzyskanych stopów, stworzono także stanowisko do mechanicznego szlifowania i polerowania. W skład stanowiska weszły szlifierka dwutarczowa wyposażona w tarcze o różnym stopniu twardości (elektrokorund, węglik krzemu), szlifierka kombi wyposażona w taśmę bezkońcową i krążki o ziarnistości od 60 do 280 oraz polerka wyposażona w tarcze polerskie różnej grubości  (bawełniane, flanelowe, sizalowe, filcowe), szczotki z włosia o różnej twardości oraz tarcze listkowe płócienne o różnej ziarnistości.

            Na podstawie uzyskanych we wcześniejszych etapach pracy wyników badań oraz wykorzystując możliwości nowostworzonych stanowisk przeprowadzono kolejne próby topienia i odlewania przy zastosowaniu wsadu złomowego w różnych proporcjach. Próby realizowano stosując: (a) pokrycie Unitop M wprowadzane pod lustro metalu na stanowisku do rafinacji ciekłego metalu, (b) filtr do ciekłego metalu podczas odlewania, (c) pokrycie Unitop M wprowadzane pod lustro metalu na stanowisku do rafinacji ciekłego metalu oraz filtr, (d) ww. metody z zastosowaniem atmosfery ochronnej argonu. Próby z zastosowaniem argonu, z uwagi na małą powierzchnię nad kąpielą i silne rozpryski ciekłego metalu, okazały się trudne w realizacji i niecelowe. Analiza mikrostruktury badanych stopów wykazała, że w większości materiałów obserwowano znaczne zmniejszenie rozmiarów twardych cząstek powstających w trakcie krystalizacji stopów. Nastąpiła także częściowa eliminacja pierwiastków wprowadzanych jako zanieczyszczenia wraz ze wsadem takich jak: Fe, Si, Al, Mn, Cr i Ni. Uzyskano zmniejszenie ich wartości średnio o 11 do 34 % w stosunku do materiału dla którego nie stosowano dodatkowych zabiegów technologicznych.

            W ramach pracy, celu dokładnej charakterystyki „twardych cząstek”, przeprowadzono ich ilościową ocenę przy użyciu programu do analizy obrazu w oparciu o obrazy mikrostruktur zarejestrowane na mikroskopie skaningowym i wyznaczano podstawowe parametry geometryczne i stereologiczne struktury. Największą średnicą cząstek (0,88-1,5 μm) charakteryzowały się stopy wytworzone w 100 % ze złomu armaturowego lub wiórowego. We wszystkich analizowanych stopach zastosowanie filtrów spowodowało bądź to zmniejszenie średnicy cząstek, bądź tez ich całkowita eliminację. Zmniejszeniu średnicy cząstek towarzyszyły jednocześnie zmiany ich kształtu na bardziej równoosiowy (zmiana wskaźnika kształtu) oraz zmniejszenie średniej odległości swobodnej między cząstkami (λ).

            Podsumowując, na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że na eliminację twardych wtrąceń w badanych stopach wpływa nie tylko rodzaj zastosowanego wsadu ale i również zastosowanie dodatkowych zabiegów technologicznych. Najlepsze efekty uzyskano stosując pokrycie rafinująco-ochronne oraz filtr podczas odlewania ciekłego metalu i następującą strukturę wsadu:

                                              

Taki sposób prowadzenia procesu wytwarzania skutkuje całkowitą eliminacją twardych wtrąceń z badanych stopów lub znacznym obniżeniem ich ilości oraz wielkości, co w konsekwencji wpływa na poprawę jakości produkowanych gąsek oraz na zwiększenie uzysku.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Projekty są finansowane ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.