ROLA CEMENTYTU WTÓRNEGO W PĘKANIU ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Transkrypt

1 96/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN ROLA CEMENTYTU WTÓRNEGO W PĘKANIU ŻELIWA SFEROIDALNEGO T. SZYKOWNY 1, J. SADOWSKI 2, K. CIECHACKI 3 Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy, Wydział Mechaniczny STRESZCZENIE Określono warunki obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego, w których występuje przedeutektoidalne wydzielanie cementytu drugorzędowego w postaci siatkowej. Na podstawie badań metalograficznych i rentgenograficznych zgładów oraz przełomów żeliwa z cementytem siatkowym w osnowie martenzytyczno-perlitycznej oraz badań fraktograficznych z wykorzystaniem SEM oceniono przebieg pękania żeliwa. Key words: spheroidal cast iron, secondary cementite 1. WSTĘP Skład austenitycznej osnowy żeliwa w temperaturze Ac 12 jest nadeutektoidalny, a zawartość węgla w austenicie wyznacza współrzędna punktu przecięcia izotermy austenityzacji z linią E S. Podczas chłodzenia żeliwa z temperatury austenityzacji pierwszym procesem jest wydzielanie nadmiaru węgla z austenitu. To wydzielanie może zachodzić wg układu stabilnego tzn. z tworzeniem grafitu wtórnego odkładającego się na istniejących sferoidach grafitowych (linia E S )[1,2] lub w szczególnych okolicznościach (mała skłonność do grafityzacji w stanie stałym, odpowiednia wartość prędkości chłodzenia), zachodzi wydzielanie w układzie metastabilnym (linia ES) tzn. jako cementytu wtórnego. Ma on postać siatkową. Obecność cementytu wtórnego w żeliwie, szczególnie w postaci siatki, negatywnie oddziaływuje na własności mechaniczne żeliwa, szczególnie obciążonego dynamicznie [3-5]. 1 dr inż. T. Szykowny, tadeusz.szykowny@atr.bydgoszcz.pl 2 dr inż. J. Sadowski, jan.sadowski@atr.bydgoszcz.pl 3 dr inż. K. Ciechacki, krzysztof.ciechacki@atr.bydgoszcz.pl 77

2 Odporność na pękanie żeliwa związana jest z mikrostrukturą osnowy metalowej. Obecność węglików (cementytu), mikrosegregacji pierwiastków składowych żeliwa, mikroporów w granicznych obszarach ziaren eutektycznych jest obok granicy międzyfazowej grafit-osnowa, najważniejszym czynnikiem inicjującym pękanie żeliwa [6]. Celem pracy jest określenie prędkości chłodzenia ciągłego w powietrzu żeliwa uwarunkowanej grubością ścianki, w którym przemianę eutektoidalną poprzedza wydzielanie cementytu wtórnego siatkowego oraz ustalenie drogi przebiegu pęknięcia. 2. METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto jeden gatunek niestopowego żeliwa sferoidalnego o małej skłonności do grafityzacji podczas przemiany eutektoidalnej. Żeliwo wytopiono w żeliwiaku o wyłożeniu kwaśnym z podgrzewanym dmuchem, z surówki hematytowej i złomu obiegowego. Żeliwo sferoidyzowano w zbiorniku żeliwiaka stopem ML5 i modyfikowano żelazokrzemem. Odlano próbki do form wilgotnych odtwarzających kliny YII lub YIV zgodnie z normą PN-92/H Skład chemiczny żeliwa przedstawiono w tabeli 1. Wartości Sc i K G określono na podstawie wzorów N.G. Giršoviča [9]. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa, % mas Table 1. The chemical composition of cast iron, % mass C Si Mn P S Cr Ti Mg Sc K G 3,53 2,81 1,17 0, ,01 0,1 0,08 1,04 8,71 Z prostopadłościennej części próbki YII wykonano płytki o grubości 1; 3; 6; 12; 25mm oraz z próbki YIV płytę o grubości 75mm. Badane próbki austenityzowano w temperaturze 975 C. Czas austenityzacji płytek o grubości 1; 3; 6mm wynosił 20 minut, o grubości 12 i 25mm 40 minut, a płyty o grubości 75mm 120 minut (2h). Pomiar temperatury próbek o grubości 1; 3; 6mm odbywał się przy pomocy termoelementów Ni-NiCr zgrzanych pojemnościowo z próbką, natomiast płyt o grubości 12; 25 lub 75mm, przy pomocy termoelementu płaszczowego Ni-CrNiAl umieszczonego w otworze, którego dno było w środku płyty. Rejestrowano krzywe chłodzenia płytek w spokojnym powietrzu otoczenia. Próbki o grubości 1; 3; 6mm przełamywano. Z każdej próbki wykonywano zgład metalograficzny. Na zgładach przeprowadzono badania metalograficzne a na ich powierzchni i przełomie wybranych próbek wykonano badania dyfrakcyjne rentgenowskie i mikrofraktograficzne. 3. WYNIKI BADAŃ WRAZ Z ANALIZĄ Krzywe chłodzenia próbek przedstawiono na rysunku 1. Jak wynika z przebiegu krzywych, efekt cieplny przemiany eutektoidalnej pojawia się w próbkach o grubości 78

3 równej lub większej od 3mm. Na podstawie krzywych chłodzenia można orientacyjnie wyznaczyć linie początku i końca przemiany eutektoidalnej. Na rysunku 1 oznaczono je liniami przerywanymi. W próbce o grubości 1mm zachodzi wyłącznie przemiana martenzytyczna. Badania metalograficzne wykazały występowanie cementytu wtórnego siatkowego w próbkach o grubości 3 lub 6mm. Prędkość chłodzenia w zakresie temperatury od 975 do 500 C próbki o grubości 3mm wynosiła 8,3 C/s, a próbki o grubości 6mm - 3,8 C/s. Rys. 1. Krzywe chłodzenia próbek żeliwa o grubości 1; 3; 6; 12; 25; 75mm Fig. 1. The curves of cooling of cast iron samples of thickness 1; 3; 6; 12; 25; 75mm W próbce o grubości 3mm wystąpiła w pełni ukształtowana siatka cementytu wyznaczająca granice byłego austenitu (rys.2). Przemiana eutektoidalna zaszła w tym przypadku częściowo (ok. 15%) reszta austenitu przemieniła się bezdyfuzyjnie. Rys. 2. Mikrostruktura próbki o grubości 3mm, pow. 250x, traw. 2% nital Fig. 2. The microstructure of samples of thickness 3mm, surface 250, covering of 2% nital 79

4 W próbce o grubości 6mm wystąpiła siatka przedeutektoidalnego cementytu na tle perlitu. Austenit w całości przemienił się w perlit. W próbkach o większej grubości obok perlitu występuje ferryt, którego ilość wzrasta wraz z grubością próbki (zmniejszaniem prędkości chłodzenia). Brak jest cementytu przedeutektoidalnego. Mimo wystąpienia dość znacznej zawartości cementytu przedeutektoidalnego (ok. 4,2% w próbce o grubości 3mm), to zjawisko nie zaznacza się na przebiegu krzywej chłodzenia (rys.1). Wydzielenia cementytu przedeutektoidalnego nie zarejestrowano również na krzywych dylatometrycznych tego żeliwa chłodzonego w sposób ciągły [8]. Na zgładzie próbki o grubości 3mm i jej przełomie wykonano dyfraktogramy (rys.3,4). Na dyfraktogramie zgładu (rys.3) zarejestrowano linie martenzytu o dużej tetragonalności (c/a=1,037) oraz austenitu szczątkowego. Mimo obecności 4,2% cementytu nie zarejestrowano jego linii. Granicę wykrywalności cementytu w litej próbce metodą rentgenograficzną szacuje się na ok. 5 10% [7]. Dyfraktogram przełomu zawiera linie martenzytu, lecz o mniejszej tetragonalności (c/a=1,032), a więc mniejszej zawartości węgla, słabo zaznaczonej linii austenitu szczątkowego oraz wyraźnej linii należącej do cementytu (rys.4). Rys. 3. Dyfraktogram z powierzchni zgładu Fig. 3. Diphractograme of smoothing surface Rys. 4. Dyfraktogram z powierzchni przełomu Fig. 4. Diphractograme of breaking surface 80

5 Wyniki badań dyfraktometrycznych rentgenowskich sugerują, iż pęknięcie w żeliwie z cementytem siatkowym przebiega pomiędzy wydzieleniami grafitu a nie po granicy ziarn eutektycznych. Zgład metalograficzny statystycznie przecina osnowę żeliwa, natomiast pęknięcie przebiega wyróżnionymi powierzchniami o najmniejszej energii pracy łamania. Skoro z dyfraktogramu zgładu (rys.3) wynika, iż martenzyt posiada większą zawartość węgla aniżeli wynikającą z dyfraktogramu przełomu (rys.4) to należy przyjąć, iż pęknięcie przebiega w zasadzie od grafitu do grafitu. W przypadku pęknięcia biegnącego wzdłuż granic ziaren eutektycznych mielibyśmy do czynienia z podwyższoną zawartością węgla w żelazie α [10]. Badania mikrofraktograficzne (rys.5), wykazują istnienie przełomu kruchego międzykrystalicznego. a) b) Rys. 5. Mikrofraktografie przełomu kruchego międzykrystalicznego, SEM (a) pow. 500x; (b) pow. 1000x Fig. 5. Microphactography of breakthnough of cracking intercrystalic, SEM (a) area of 500x; (b) area of 1000x 4. WNIOSKI 1. Istnieje przedział prędkości chłodzenia żeliwa (3,8 8,3 C/s), w którym następuje wydzielanie cementytu przedeutektoidalnego w postaci siatkowej. 2. Obecność cementytu wtórnego siatkowego sprzyja pęknięciom biegnącym pomiędzy wydzieleniami grafitu. 3. Z niekorzystnym zjawiskiem tworzenia się cementytu wtórnego w postaci siatki należy się liczyć, planując operacje cieplne polegające na austenityzacji w wysokiej temperaturze i szybkim podchładzaniu, które np. potrzebne jest podczas operacji hartowania izotermicznego. 81

6 LITERATURA [1] Bunin K.P., Taran J.N.: Stroenie čuguna. Izd. Metalurgia, Moskva [2] Podrzucki Cz.: Żeliwo. Tom I. Wyd. ZG STOP, Kraków [3] Oleszycki H.: Rola zabiegów cieplnych w kształtowaniu struktury perlitycznej i właściwości mechanicznych niestopowego żeliwa sferoidalnego. Rozprawy nr 7, ATR Bydgoszcz [4] Oleszycki H., Sadowski J.: Wpływ sposobu nagrzewania i chłodzenia oraz czasu wygrzewania na ilość cementytu wtórnego w niestopowym żeliwie sferoidalnym. Zeszyty Naukowe ATR, nr 21. Mechanika, s , Bydgoszcz [5] Szykowny T.: Badania procesu wydzielania cementytu wtórnego podczas ciągłego chłodzenia żeliwa sferoidalnego. I Krajowa Konferencja Naukowa. Materiałoznawstwo, Odlewnictwo, Jakość. Tom I, s , Kraków [6] Kuroda Y., Takada H.: Badania przełomów żeliwa przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przegląd Odlewnictwa, nr 3, s , [7] Senczyk D.: Laboratorium z rentgenografii strukturalnej. Wyd. Uczelniane Politechniki Poznańskiej, Poznań [8] Szykowny T: Kształtowanie struktury żeliwa sferoidalnego podczas ciągłego chłodzenia. Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 3, Nr 8. PAN, Katowice [9] Giršovič N.G.: Sprawočnik po čugunnuju litju. Leningrad, Izd. Mašinostroenie, [10] Schissler J.M. i in.: Hommes et Fonderies, nr 8-9, s.9, SUMMARY THE ROLE OF THE SECONDARY CEMENTITE OF CRACKING OF THE SPHEROIDAL CAST IRON The conditions of heating machining of spheroidal cast iron in which the emission of before eutectoidal emission of secondary cementite of metalographic and X-ray research of smoothing and breaking of cast iron in be meshing cementite in the layer of perlitic martenzite and factographic with the use of SEM the cracking of cast iron was estimated. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski 82