GRANICZNA ROZPUSZCZALNOŚĆ WĘGLA W CIEKŁYM ŻELIWIE Ni-Mn-Cu

Transkrypt

1 34/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN GRANIZNA ROZPUSZZALNOŚĆ WĘGLA W IEKŁYM ŻELIWIE Ni-Mn-u A. JANUS 1, K. GRANAT 2, K. NAPLOHA 3, Instytut Technologii Maszym i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław, Polska STRESZZENIE Na podstawie analizy krzywych ATD opracowano równanie określające maksymalną rozpuszczalność węgla w ciekłym żeliwie Ni-Mn-u. Badania obejmowały, pochodzące z ponad 50 wytopów, nadeutektyczne żeliwo zawierające: 2,8 4,0% ; 1,5 3,2% Si; 4,3 11,0% Ni; 2,1 8,2% Mn i 0,1 5,8% u. Stwierdzono, że w przypadku żeliwa austenitycznego rozpuszczalność węgla w ciekłym żeliwie jest większa od wartości obliczonych w oparciu o dane literaturowe [2]. Różnica ta zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury kąpieli metalowej Key words: żeliwo austenityczne, metoda ATD, krystalizacja żeliwa 1. WPROWADZENIE Graniczna rozpuszczalność węgla w ciekłym żeliwie jest czynnikiem odgrywającym ważną rolę w procesie zarodkowania grafitu. Ma ona wpływ nie tylko na właściwości technologiczne żeliwa, lecz również na jego strukturę i właściwości użytkowe. Dla ciekłego, podwójnego stopu Fe- rozpuszczalność tę określa linia likwidus `D` stabilnego wykresu równowagi Fe- graf. Jej przebieg w zakresie opisuje równanie [1]: 1 dr inż.; andrzej.janus@pwr.wroc.pl. 2 dr hab. inż.; kazimierz.granat@pwr.wroc.pl. 3 dr inż.; krzysztof.naplocha@pwr.wroc.pl.

2 241 gdzie: max(fe-) określa graniczną rozpuszczalność węgla w kąpieli metalowej [%], a T L jest temperaturą likwidus żeliwa wyrażoną w. max( Fe ) = 1,3 + 2,57 10 TL (1) Dla żeliwa, a więc technicznego stopu zawierającego szereg dodatkowych pierwiastków, które wpływając na aktywność węgla zmieniają jego rozpuszczalność w kąpieli metalowej, równanie (1) jest rozszerzone o dodatkowy czynnik uwzględniający ich oddziaływanie [2]: max = 1,3 + 2,57 10 T gdzie: X i określa zawartość poszczególnych pierwiastków w żeliwie [% wag ], natomiast współczynniki m`i określają intensywność oddziaływania tych pierwiastków na zmianę rozpuszczalności węgla w ciekłym stopie. Wyniki badań austenitycznego, nadeutektycznego żeliwa Ni-Mn-u przeznaczonego na odlewy kokilowe [3] wykazały w wielu przypadkach występowanie pewnych rozbieżności pomiędzy obliczoną wartością ekwiwalentu niklowego badanych stopów, a przebiegiem uzyskanych dla nich krzywych ATD. Jedną z przyczyn tych różnic może być inna niż to wynika z obliczeń, rzeczywista rozpuszczalność węgla w wysokostopowym, ciekłym żeliwie. 2. BADANIA WŁASNE Badano pochodzące z ponad 50 wytopów stopowe żeliwo Ni-Mn-u. Zakres zmian składu chemicznego stopów zamieszczono w tabeli 1. Zawartość fosforu i siarki była we wszystkich stopach zbliżona i wynosiła odpowiednio 0,16% P i 0,04% S. Wartość współczynnika stopnia nasycenia eutektycznego S c żeliwa zmieniała się w zakresie 1,01 1,32 (średnia wartość 1,15). L + n i= 1 m`i X Tabela 1. Zakres zmian składu chemicznego badanych stopów [% wag ] Table 1. omposition of tested alloys, wt-% Pierwiastek Zawartość Zawartość Zawartość minimalna maksymalna średnia 2,8 4,0 3,4 Si 1,5 3,2 2,4 Mn 2,1 8,2 4,3 Ni 4,3 11,0 7,4 u 0,1 5,8 3,5 Analizę termiczną żeliwa przeprowadzono przy wykorzystaniu rystaldigrafu NX [4]. Skorupowe próbniki ATD-10 zalewano z temperatury 1500 ±15. Tak duża wartość temperatury przegrzania stopów wynikała z wysokiej wartości współczynnika i (2)

3 242 nasycenia eutektycznego niektórych z badanych stopów i wynikającej stąd spodziewanej, wysokiej temperatury likwidus T L. W badaniach wykorzystano jedynie te stopy, które nie wykazały obecności cementytu pierwotnego w strukturze próbek wyciętych w pobliżu końcówki termoelementu próbnika ATD-10. Wartość temperatury likwidus odczytywano z krzywej T=f(τ), na którą rzutowano z pochodnej T` = f(dt/dτ) punkt lokalnego maksimum odpowiadającego największemu efektowi cieplnemu krystalizacji grafitu [5, 6]. Obecności cementytu pierwotnego nie stwierdzono w 48 spośród 56 badanych stopów. Temperatura likwidus T L tych stopów zmieniała się w zakresie Przy założeniu zbliżonych warunków chłodzenia stopów, zmiany te mogły być wywołane jedynie zmianą składu chemicznego żeliwa. Z tego względu przeprowadzono statystyczną analizę zależności występujących pomiędzy wartością T L, a zawartością poszczególnych pierwiastków. Zastosowano wykorzystywaną powszechnie metodę regresji wielorakiej. Pomimo założenia prostego modelu matematycznego (równanie liniowe, brak wzajemnej interakcji pierwiastków) uzyskano wiarygodne statystycznie równanie o bardzo silnej korelacji pomiędzy temperaturą likwidus a zawartością każdego z pierwiastków. Współczynnik determinacji R 2 otrzymanego równania wynosi 0,96 na poziomie istotności p=0,001: TL = 547, , ,6 Si 12,9 Mn + 20,1 Ni + 29,1 u (3) Z równania (3) wynika, że podobnie jak w żeliwie niestopowym, krzem ponad trzykrotnie słabiej podwyższa temperaturę likwidus w porównaniu do węgla. Oddziaływanie niklu i miedzi jest jeszcze mniej intensywne. Jeden procent tych pierwiastków obniża średnio temperaturę T L o około 20 w przypadku niklu i o około 30 w przypadku miedzi. Zgodnie z oczekiwaniami jedynym pierwiastkiem, który zwiększa wartość temperatury początku krzepnięcia żeliwa jest mangan (średnio o 13 /1% Mn). Wpływ fosforu i siarki jest statystycznie nieistotny z uwagi na zbyt mały zakres zmian zawartości tych pierwiastków w badanych stopach. Przy założeniu, że w temperaturze likwidus, zawartość węgla w stopie odpowiada jego maksymalnej rozpuszczalności w kąpieli metalowej ( = max ), przekształcone równanie (3) pozwala na określenie granicznej rozpuszczalności węgla w badanym żeliwie: max = 1,42 + 2,46 10 T L 0,30 Si + 0,31 Mn 0,050 Ni 0,072 u (4) Pominięcie w równaniu (4) członów związanych z zawartością Si, Mn, Ni i u p ozwala na określenie maksymalnej rozpuszczalności węgla w podwójnym stopie Fe- i porównanie uzyskanej zależności z równaniem (1). Występujące różnice ilustruje zamieszczony na rysunku 1 wykres przedstawiający zależność pomiędzy max i T L obliczoną na podstawie równania (1) i (4). Mniejsza rozpuszczalność węgla (krzywa 2)

4 243 uzyskana dla badanego żeliwa może wynikać z odbiegającej od warunków równowagowych szybkości krzepnięcia stopów w próbniku ATD. Rys. 1. Wpływ temperatury na rozpuszczalność węgla w ciekłym stopie Fe-: 1- zależność obliczona z równania (1), 2 z równania (4). Fig. 1. Influence of temperature on carbon solubility in liquid Fe- alloy: equation (1), 2-equation (4). Wprowadzenie do żeliwa dodatków stopowych powoduje zmianę rozpuszczaności węgla w kąpieli metalowej. Intensywność wpływu każdego z pierwiastków na tą rozpuszczalność określają współczynniki m`i [2]. Współczynnikami takimi są również występujące w równaniu (4) współczynniki regresji. Ich wartości nieznacznie różnią się od wartości współczynników m`i. tabela 2. Tabela 2. Wartości współczynników m`i Tabele 2. Values of m`i coefficients Pierwiastek Wspólczynniki m`i Współczynniki regresji Różnica w równaniu (2) w równaniu (4) [%] Si - 0,31-0,30-3 Mn + 0, , Ni - 0,053-0,050-6 u - 0,074-0,072-4 Występujące różnice są zasadniczo nieznaczne. Jedynie w przypadku manganu sięgają 15% wartości. Jednak w przypadku stosunkowo wysokiej, sumarycznej zawartości dodatków stopowych wprowadzonych do badanego żeliwa, mogą one w znaczący sposób wpłynąć na ocenę granicznej rozpuszczalności węgla w cieczy. W celu określenia możliwych rozbieżności, przy założeniu że w temperaturze T L

5 244 całkowita zawartość węgla w stopie jest równa max, równanie (4) przekształcono do postaci: n 1,42 2,46 10 TL = + m`i Xi = + i= 1 e (5) W przedstawionej postaci, równanie (5) określa zależność pomiędzy wartością eutektycznego równoważnika węgla e, który w tym przypadku wyznacza graniczną rozpuszczalność węgla w ciekłym żeliwie zawierającym określoną zawartość pozostałych pierwiastków, a temperaturą likwidus tego żeliwa. Po podobnym przekształceniu równania (2) możliwe jest sporządzenie wykresu przedstawiającego zależność występującą pomiędzy temperaturą T L i wartością e. Zamieszczoną na rysunku 2 krzywą 1 uzyskano dla równania (2) przy zastosowaniu literaturowych wartości współczynników m`i, natomiast krzywą 2 uzyskano przy wykorzystaniu równania (5) i wartości współczynników regresji występujących w zależności (4). Z porównania przebiegu krzywych 1 i 2 z wartością temperatury likwidus badanych stopów (3) wynika, że w przypadku żeliwa Ni-Mn-u do oceny maksymalnej rozpuszczalności węgla w kąpieli metalowej wydaje się uzasadnione stosowanie równania (4). Rys. 2. Zależność pomiędzy eutektycznym równoważnikiem węgla e i tempera- turą T L żeliwa: 1 równanie (2), 2 równanie (4), 3 temperatura T L badanych stopów. Fig. 2. Relationship between eutectic carbon equivalent e and cast iron temperature T L : 1-equation (2), 2-equation (4), 3 T L temperature of tested alloys.

6 PODSUMOWANIE Graniczna rozpuszczalność węgla max w ciekłym, stopowym żeliwie Ni-Mn- u jest w rzeczywistości większa, niż wynika to z obliczeń przeprowadzanych według zależności (2) [1]. W uzyskanym dla badanych stopów równaniu regresji (4), określającym wpływ temperatury i składu chemicznego żeliwa na rozpuszczalność węgla max, wartości współczynników kierunkowych mają wartości różniące się od wartości współczynników m`i [3]. Wartości uzyskane dla krzemu, niklu i miedzi są niższe co oznacza, że w badanych stopach pierwiastki te słabiej ograniczają rozpuszczalność węgla w kąpieli metalowej niż wynika to z równania (2). Z kolei wpływ manganu na zwiększenie rozpuszczalności węgla jest silniejszy. W przypadku stopów o dużej wartości e, zsumowany efekt oddziaływania Si, Mn, Ni i u prowadzi do powstania istotnych różnic (0,2 0,4% ) pomiędzy przewidywaną (na podstawie danych literaturowych), a stwierdzoną w badaniach rozpuszczalnością węgla w ciekłym żeliwie. LITERATURA [1] Löhberg K., Röhrig K.: Giesserei Tech. Wiss Beih 18 (1966) nr 2 s.63. [2] Podrzucki z.; Żeliwo. Struktura właściwości zastosowanie; Wyd. ZG STOP, Kraków [3] Jura S.: Nowoczesne metody oceny jakości stopów. Gliwice 1985, s.5. [4] Janus A.: Acta Metall. Slovaca 2002 Roc. 8 mimoriad. cis. 2 nr [1] s [5] Studnicki A., Jura S.: Krzepnięcie metali i stopów, 1999, v 1, nr 40, s [6] Stawarz M., Szajnar J.: Archiwum Odlewnictwa, 2004, nr 11, s THE SOLUBILITY LIMIT OF ARBON IN Ni-Mn-u LIQUID AST IRON SUMMARY On the base of DTA curves, equation that describes maximum solubility of carbon in Ni-Mn-u liquid cast iron was elaborated. Investigations over materials from 50 heats include hypereutectic cast iron containing: 2,8 4,0% ; 1,5 3,2% Si; 4,3 11,0% Ni; 2,1 8,2% Mn i 0,1 5,8% u. It was ascertained that solubility of carbon in liquid austenitic cast iron exceeds values calculated using literature data. This difference increases with temperature increase of metal bath. Recenzował Prof. Mirosław holewa