24/9 s.. lidilicatiun uf Metal~ and Alluys, Nu.24, 1995

Transkrypt

1 24/9 s.. lidilicatiun uf Metal~ and Alluys, Nu.24, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 24, 1995 PAN - Oddział Kato wice PL ISSN SFEROIDALNE ŻELIWO AUSTENITYCZNE NIKLOWO-MANGANOWO-MIEDZIOWE JANUS Andrzej Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Politechnika Wrocławska Wrocław, ul. Wybrze~e Wyspiańskiego, POLAND W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących wpływu zmian składu chemicznego (niklu, manganu i miedzi) na strukturę i właściwości mechanłczne sferoidalnego żeliwa austenitycznego. Przy wykorzystaniu metody A TD i badań dylatometrycznych określono temperatury przemian zachodzących podczas krystalizacji badanych stopów, z uwzględnieniem wpływu zawartości dodatków stopowych na trwałość austenitycznej osnowy metalowej odlewów. l. WPROWADZENIE Prowadzone w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Wrocławskiej badania [1] pozwoliły na opracowanie składu chemicznego średnioniklowego żeliwa austenitycznego o właści wościach zbliżonych do właściwości wysokoniklowego żeliwa typu Ni-Resist. Możliwość obniżenia zawartości niklu uzyskano w wyniku częściowego zastąpienia go manganem i miedzią Uzyskane żeliwo wykazuje szereg korzystnych właściwości charakterystycznych dla żeliwa Ni-Resist. Niestety podobnie jak swój wysokoniklowy odpowiednik charakreryzuje się ono stosunkowo niską wytrzymałością na rozciąganie ( MPa), co w przypadku wielu zastosowań jest wartością zbyt niską. Wprawdzie, w przeciwieństwie do żeliwa Ni-Resist, możliwe jest wyraźne podwyższenie jego wytrzymałości w wyniku przeprowadzenia obróbki cieplnej (wyżarzania), to jednak związana z tym całkowita czy nawet częściowa zmiana struktury osnowy metalowej z austenitycznej na bainityczną lub martenzytyczną powoduje wyraźny wzrost twardości odlewów, pogarszając tym samym ich skrawalność. Z tego względu podjęto próbę podwyższenia wytrzymałości żeliwa Ni-Mn-Cu poprzez zmi anę postaci występujqcego wnim grafitu z płatkowego w kulkowy, pomimo tego, iż jak wynika z dimych literaturowych [2] może to być utrudnione z uwagi na obecność stosunkowo wysokiej zawartości miedzi.

2 62 2. ZAKRES PRACY Żeliwo do badań wytapiano w tyglowym piecu indukcyjnym średniej częstotliwości. W procesie sferoidyzacji stosowano zaprawę magnezową (16,5% Mg,!,1% Ce, 10,0% Cu, reszta Ni) oraz żelazokrzem Si75T. Próbki do badań (odlewy w kształcie walca o średnicy 30 mm i długości 300 mm wykonywane w formie skorupowej) pobierano przed i po przeprowadzonym zabiegu sferoidyzacji. Dodatkowo rejestrowano (również przed i po sferoidyzacji) krzywe krzepnięcia badanych stopów. W sumie badaniom poddano pochodzące z 16 wytopów żeliwo zawierające : 3,0-3,3% C, 1,9-2,2% Si, 3,0-4,5% Mn, 7,0-11,0% Ni, 0,5-3,0% Cu, O, l - 0,2 % P, max 0,04 % S. Z otrzymanych odlewów wycięto próbki do badań dylatometrycznych, obserwacji mikroskopowych oraz pomiarów właściwości mechanicznych. 3. BADANIA WŁASNE 3.1. Analiza tem1iczna i dej;wacyjna Analizę termiczną i deriwacyjną (metoda A TD) [3) przeprowadzono przy wykorzystaniu opracowanego w Instytucie Odlewnictwa Politechniki Śląskiej systemu pomiarowego CrystaldigrafNCX. Jej celem było określenie, w oparciu o analizę zarejestrowanych krzywych stygnięcia T=f(t) i krzywych krystalizacji dt/dt=f(t), wpływu zmian składu chemicznego na wartości temperatury łikwidus i solidus badanych stopów. Przykładowe wykresy uzyskane dla żeliwa Ni8Mn4,5Cu3 przed i po sferoidyzacji przedstawiono na rys. l. temp. [ C] temp. [ C].)~!'" ~ [\ -1 r-- d T l""' -2 T V -3 % a) o czas [s] / \~ ~ fi d T l -1 l,..._ - -2 T -3 V V b) l l o czas [s] Rys. l. Wykresy A TD żeliwa Ni8Mn4,5Cu3; a - przed sferoidyzacją, b - po sferoidyzacji. Fig. l. ATD plots for Ni8Mn4,5Cu3 cast iron; a- before spheroidization, b- after spheroidization Przy wykorzystaniu metody wielokrotnej regresji krokowej określono ilościowe zależności występujące pomiędzy składem chemicznym a wartościami temperatur TL i TS

3 badanych stopów. Uzyskane równania charakteryzują się wysokimi wartościami podstawowych parametrów statystycznych. Poniżej przedstawiono przykładowo równanie opisujące wpływ składu chemicznego (w zakresie określonym planem eksperymentu) na wartość temperatury likwidus badanych stopów: 63 TL = C + 25Si + 16Ni + 6Mn + 4Cu ["C] (I) parametry statystyczne: wartość średnia odchylenie standardowe współczynnik korelacji test F dla funkcji i zbioru test F krytyczny TL;,= a= R = F= F(O.Ol,5,16) = 1156"C s c 0,96 23,78 4,60 Analiza zarejestrowanych krzywych krystalizacji dt/dt=f(t) wskazuje na to, że wszystkie badane żeliwa należy zaliczyć do grupy stopów zaeutektycznych. Dotyczy to zarówno stopów niemodyfikowanych jak i poddanych zabiegowi sferoidyzacji. Zwiększenie zawartości każdego z wprowadzanych dodatków powoduje podwyższenie temperatury likwidus. Pierwiastkami najsilniej wpływającymi na tę temperaturę są węgiel i krzem. Wpływ manganu i miedzi jest ponad dziesięciokrotnie słabszy. W przeciwieństwie do temperatury likwidus, temperatura soliduszmienia się w znacznie mniejszym stopniu, przy czym wpływ poszczególnych pierwiastków na wartość tej temperatury jest bardziej zróżnicowany. Węgiel i krzem powodują nieznaczne obniżenie temperatury TS natomiast nikiel, mangan i miedź niewielkie jej podwyższenie. Wpływ tych pierwiastków zawiera się w granicach 5-IS"C na I% wprowadzonego dodatku. W efekcie wpływu dodatków stopowych na wartości TL i TS zmienia się zakres temperatur krzepnięcia, a tym samym stopień eutektyczności badanych stopów. Z analizy uzyskanych równań regresji wynika, że węgiel, krzem, nikiel i miedź zwiększają stopień eutektyczności żeliwa, natomiast mangan nieznacznie go obniża. Wpływ niklu, manganu i miedzi jest znacznie słabszy niż węgla i krzemu. Przeprowadzenie zabiegu sferoidyzacji nie spowodowało istotnych zmian w oddziałaniu tych pierwiastków 3.2. Badania dylatometlyczne Badania dylatometryczne przeprowadzono w celu określenia wpływu zmian składu chemicznego badanych stopów na temperatury przemian fazowych zachodzących w żeliwie podczas stygnięcia odlewów. Pomiary przeprowadzono przy wykorzystaniu dylatometru bezpośredniego. Próbki nagrzewano z szybkością 2"C/min do temperatury 850"C, następnie chłodzono je do temperatury -185"C i ponownie podgrzewano do temperatury otoczenia. Przykładowy dylatogram, uzyskany dla sferoidalnego żeliwa Ni8Mn4,5Cu3 przedstawiono na rys.2. Stosunkowo wysoka sumaryczna zawartość pierwiastków stabilizujących austanit (niklu, manganu i miedzi) powoduje w badanych stopach zablokowanie przemiany eutektoidalnej. W efekcie na uzyskanych dylatogramach widoczne są jedynie punkty odpowiadające temperaturze początku M, i końca Mr przemiany martenzytycznej. Wartości tych temperatur zmienia się wraz ze zmianą składu chemicznego, przy czym zależności te można opisać za pomocą liniowych równań regresji. Przykładowo równanie optsujące wpływ pierwiastków stabilizujących austenit na temperaturę początku przemiany martenzytycznej żeliwa poddanego

4 64 zabiegowi sferoidyzacji przedstawia się następująco: M. = l4ni - 20Mn - 4Cu ["C] (2) parametry statystyczne: x1o- 3 wartość średnia odchylenie standardowe współczynnik korelacji test F dla funkcji i zbioru test F krytyczny M.,= a= R = F= F(O.OI,l,16) = -33"C 6,4 C 0,95 42,43 4,60 ~ 14 '"O ~ 12 O) ~ 10 / ~ o o< ry ~... l--' / ~ ~ ~ / ~./ ~ t:?' A /:: ~ V...-:: ~ -100 o temperatura [o C] Rys. 2. Dylatogram żeliwa Ni8Mn4,5Cu3 (po sferoidyzacji). Fig. 2. Diłatometric curve for spheroidized Ni8Mn4,5Cu3 cast iron. Pozostałe zależności przedstawiają się podobnie. W badanych stopach (zarówno niemodyfikowanych jak i poddanych zabiegowi sferoidyzacji) zwiększenie zawartości niklu, manganu lub miedzi powoduje obniżenie temperatur początku i końca przemiany mertenzytycznej. Pierwiastkiem najsiłniej stabilizującym austenitjest mangan, natomiast wpływ miedzi jest najsłabszy Obnl!wacje mikmskopowe Przeprowadzone obserwacje mikroskopowe wykazały, że pomimo stosunkowo wysokiej zawartości manganu w żadnej z próbek nie stwierdzono zabielenia. W przypadku stopów niemodyfikowanych występuje grafit płatkowy prosty oraz zwichrzony o rozmieszeniu nierównomiernym i wielkości zmieniającej się w zależności od składu chemicznego w granicach lm. Przeporwadzenie zabiegu sferoidyzacji spowodowało zmianę postaci grafitu

5 z płatkowego na kulkowy regularny. W stopach o podwyższonej zawartości miedzi i manganu pojawia się ponadto grafit kulkowy nieregulamy. Wielkość wydzieleń grafitu odpowiada wg normy wzorcom Gw45 i Gw90- rys. Ja. W wyniku wprowadzenia do stopów odpowiednio wysokiej sumarycznej zawartości pierwiastków obniżających temperatury przemiany eutektoidalnej i martenzytycznej strukturę osnowy metalowej stanowi austenit rys.jb. Jedynie w stopach niemodyfikowanych o najniższej założonej zawartości manganu występują w pobliżu wydzieleń grafitu pojedyncze igły bainitu górnego ~ -~ ,. ~ - o......" 0,2mm-1 r b; <~.., \. l l ',' '\ \ ' \t \ \-,~.. " O,OSmm - Rys. 3. Struktura żeliwa Ni8Mn4,5Cu3; a- grafit, b- austenityczna osnowa metalowa. Fig. 3. Structure of Ni8Mn4,5Cu3 cast iron; a- graphi te, b - austenitic matrix Badania właściwości mechanicznych W ramach przeprowadzonych pomiarów właściwości mechanicznych określono wpływ zmian s kładu chemicznego na twardość i wytrzymałość na rozciaganie badanego żeliwa. Dla stopów poddanych zabiegowi sferoidyzacji określono dodatkowo wydłużenie A 5. Twardość stopów niemodyfikowanych z czysto austenityczną strukturą osnowy metalowej zmienia się w stosunkowo wąskim zakresie HB, przy czym nikiel i miedź powodują zmniejszenie twardości, natomiast mangan jej niewielkie zwiększenie. Twardość próbek, w strukturze których występują igły bainitu jest wyższa i wynosi HB. Przeprowadzenie zab iegu sferoidyzacji spowodowało wyraźny wzrost twardości żeliwa -średnio o 70 jednostek HB. Wpływ poszczególnych pierwiastków jest zbliżony do tego, jaki stwierdzono dla stopów niemodyfikowanych: zwiększenie zawartości niklu i miedzi powoduje obniżenie twardości, natomiast zwiększen ie zawartości manganujej podwyższenie. Największą twardość HB, wykazują stopy zawierające 8% niklu i powyżej 3,5% manganu. Wraz ze zmianami twardości następująproporcjonalne zmiany wytrzymałości Rm. Najniższą wytrzymałość ( MPa) uzyskano dla stopów z grafitem płatkowym zawierających Ił% Ni. Zmniejszenie zawartości tego pierwiastka o 1% powoduje zwiększenie Rm, średnio o 20 MPa. Zmiana postaci g~:afitu z płatkowego w kulkowy spowodowała ponad dwukrotne zwiększenie Rm. W zależności od zawartości dodatkow stopowych wynosi ona MPa.

6 66 Podobnie jak w stopach niemodyfikowanych nikiel i miedź powodują zmniejszenie wytrzymałości, natomiast mangan jej podwyższenie. Największą wytrzymałość (450 MPa) wykazuje żeliwo zawierające 8,0% Ni, 4,5% Mn i 2,5% Cu. Zmianom wytrzymałości żeliwa sferoidalnego towarzyszy zgodnie z oczekiwaniami zmiana jego wydłużenia. W stopach o najmniejszej wytrzymałości wartość A 5 przekracza 15%. W miarę wzrostu Rrn wydłużenie zmniejsza się osiągając wartość 8,5% w żeliwie o największej wytrzymałości. 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wykazały możliwość ponad dwukrotnego podwyższenia wytrzymałości austenitycznego żeliwa typu Ni-Mn-Cu w wyniku przeprowadzenia zabiegu jego sferoidyzacji. Pomimo obecności w tym żeliwie ponad 3,0% miedzi uzyskano w strukturze odlewów regularny grafit kulkowy, dzięki czemu w stopach o najlepszych właści wościach mechanicznych wytrzymałość Rrn wynosi MPa przy wydłużeniu A 5 8,5-10,0% i twardości HB. Wyniki te odpowiadają właściwościom, którymi charakteryzują się wysokoniklowe gatunki sferoidalnego żeliwa Ni-Resist. LITERATURA [l] Janus A., Chorzępa S. : Stopień eutektyczności żeliwa Ni-Mn-Cu. PraceNaukowe ITMiA PWr nr52, 1993, s [2] Piaskowski J.: Żeliwo sferoidalne. t l, Wyd. Inst. Odlewnictwa, Kraków 1986 [3] Jura S.: Istota metody ATD. Nowoczesne metody oceny stopów, s. 5-12, Gliwice 1985 SPHEROIDAL AUSTENITIC Ni-Mn-Cu CAST IRON The paper presents an investigation on the effect of alloying elements (Ni, Mn, Cu) on the structure and mechanical properties of spheroidal austenitic cast iron. The ATD method and dilatometric measurements were used to determine temperatures of reactions accurring during sołidification of the examined range of alloys. The influence of alloy additions on the stabiłity of austenitic matrix of castings is discussed.