ASPEKT APLIKACYJNY ELIWA ADI

Transkrypt

1 ASPEKT APLIKACYJNY ELIWA ADI TOMASZ GI TKA, KRZYSZTOF CIECHACKI Streszczenie W pracy przedstawiono mo liwo ci zastosowania eliwa sferoidalnego hartowanego z przemian izotermiczn (ADI) na odpowiedzialne cz ci pojazdów i maszyn. Dla wybranego wytopu zaproponowano wariant obróbki cieplnej, dzi ki któremu w efekcie ko cowym uzyska si odlew zgodny z norm PN-EN ISO Austenityzowanie przy hartowaniu eliwa ADI wpływa na zawarto w gla w austenicie w zale no ci od temperatury wygrzewania. Natomiast nasycenie austenitu oddziaływuje na jego przemian w procesie ausferrytyzowania osnowy metalowej i kształtowania mikrostruktury. eliwo sferoidalne o osnowie ferrytycznej hartowano z przemian izotermiczn w zakresie ausferrytyzowania w temperaturze t pi = 400 i C w przedziale czasu pi = 7,5 240 min. Próbki austenityzowano stopniowo. Wygrzewano w nominalnej temperaturze tγ = C, po czym podchładzano do temperatury tγ = 850 i C. Badania w tym zakresie b d kontynuowane. Słowa kluczowe: ausferryczne eliwo sferoidalne (ADI) 1. Wst p W materiałach in ynierskich eliwo sferoidalne jest tworzywem odlewniczym, któremu towarzyszy du e zainteresowanie na całym wiecie. W zakresie technologii wytwarzania eliwa sferoidalnego stosuje si obróbk ciepln. Przyczynia si ona do kształtowania struktury, własno ci mechanicznych i technologicznych odlewów eliwnych. Hartowane eliwo sferoidalne z przemian izotermiczn, o zało onej strukturze osnowy, w przewadze ausferrytu, jest nazywane eliwem ADI (z ang. Austempered Ductile Iron). Grafit kulkowy w osnowie eliwa ADI tak, jak w eliwie sferoidalnym tłumi drgania. Odlewy w stanie surowym maj lepsz skrawalno. Ze wzgl du na obecno w osnowie ausferrytu, eliwo odznacza si dobr odporno ci na cieranie (zu ycie abrazyjne) w porównaniu do ulepszonego cieplnie eliwa sferoidalnego, stali hartowanej z przemian izotermiczn oraz stali ulepszonej cieplnie. eliwo ADI ma mniejsza g sto około 10 % w porównaniu z innymi stopami Fe-C, np. stali i staliwa [2 4]. Zastosowanie eliwa ADI na odlewy piasty koła samochodu ci arowego w zamian za stop aluminium stało si uzasadnione, ze wzgl du na wytrzymało R m i wydłu enie A 5 eliwa, poniewa wska niki te s trzy razy wi ksze ni dla stopu Al. Dzi ki tej zamianie zmniejszono mas o 3 %, a koszty wytwarzania o 30 %.

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, a) b) Rys. 1. Odlewy piasty koła samochodu ci arowego, wykonanej z eliwa ADI (a) i stopu Al (b) ródło: [6]. Pomimo, e produkcja odlewów z eliwa ADI nie nale y do łatwych ze strony technicznoekonomicznej, to ródła literaturowe informuj o rozwoju produkcji nie tylko w krajach wysoko uprzemysłowionych. Z obszarów stosowania eliwa ADI mo na poda nast puj ce kategorie [2]: - poprawienie wska ników własno ci mechanicznych eliwa sferoidalnego, - zamiany walcowej stali, staliwa, odkuwek stalowych, stopów aluminium lub innych stopów na eliwo ADI w istniej cych konstrukcjach in ynierskich, - projektowania w budowie maszyn opieraj c, si o standardy eliwa ADI zawarte w PN-EN W literaturze technicznej spotyka si informacj, e z eliwa ADI wykonuje si odlewy cz ci w budowie maszyn. W ród tych cz ci wymienia si : koła z bate, wały korbowe oraz cz ci; nap dów i układów zawieszenia w samochodach; cz ci maszyn: budowlanych, robót ziemnych, taboru kolejowego, do urabiania kopalin, wiertniczych i włókienniczych. Ponadto w przemy le samochodowym, w maszynach i narz dziach dla rolnictwa (rys. 2) itd.

3 96 Tomasz Gi tka, Krzysztof Ciechacki Aspekt aplikacyjny eliwa ADI ródło: [8]. Rys. 2. Odlewy ADI w budowie maszyn rolniczych Na cz ci odporne na cieranie (zu ycie abrazyjne) stosuje si eliwo CADI, które w osnowie oprócz ausferrytu zawiera dodatkowo w gliki (rys. 3). ródło: [8]. Rys. 3. Odlewy cz ci maszyn wykonane z eliwa CADI

4 97 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, 2014 Kinetyce austenityzowania osnowy eliwa sferoidalnego po wi cono wiele uwagi w pracach [2, 5 7]. Efekt austenityzowania uzale niony jest od składu chemicznego osnowy, struktury wej ciowej eliwa przed obróbk ciepln, wydziele grafitu, temperatury i czasu grzania, a tak e od nierównomierno ci rozło enia pierwiastków w ziarnach eutektycznych i rozrostu ziaren. W niniejszej pracy podj to, prób hartowania z przemian izotermiczn ferrytycznego eliwa sferoidalnego z austenitem o równowagowej mo liwie niskiej zawarto ci w gla. Do stworzenia takich warunków wykorzystano zabiegi obróbki cieplnej, polegaj ce na podchładzaniu i wychładzaniu w zakresie austenityzowania. Podj te badania dotycz technologicznej problematyki doskonalenia procesu wytwarzania wysokojako ciowego tworzywa odlewniczego ADI. 2. Materiał, program i metodyka bada Do bada przyj to jeden gatunek niestopowego eliwa sferoidalnego o składzie chemicznym i własno ciach podanych w tabeli 1. Tabela 1. Charakterystyka eliwa sferoidalnego Skład chemiczny, % mas Własno ci mechaniczne Składnik C Si Mn P S Mg Rm, MPa A5, % HV10 KCG, J/cm 2 %, mas. 3,65 2,59 0,18 0,052 0,014 0, , eliwo to wytapiano w przemysłowym eliwiaku kwa nym z gor cym dmuchem. Sferoidyzacj eliwa przeprowadzono stopem magnezowym ML5 metod pr tow w zbiorniku eliwiaka. eliwo odlewano do wilgotnych form piaskowych. Odlewy posiadały kształt wlewka YII wg (PN- EN 1563:2012). Na podstawie próby statycznej rozci gania eliwo zakwalifikowano do gatunku EN-GJS eliwo posiada ferrytyczno perlityczn (10 % perlitu) struktur osnowy oraz prawidłow kulkow posta grafitu (11,5 % pow. grafitu, 112 wydz./ mm 2 zgładu). Prostopadło cienne cz ci próbek YII poddano wy arzaniu ferrytyzuj cemu II stopniowemu wg schematu na rys. 4. Rys. 4. Schemat dwustopniowego wy arzania ferrytyzuj cego

5 98 Tomasz Gi tka, Krzysztof Ciechacki Aspekt aplikacyjny eliwa ADI Wyci te z prostopadło ciennej cz ci próbki YII pr ty o przekroju 10x10 mm poddano hartowaniu izotermicznemu zgodnie ze schematem na rys. 5. Rys. 5. Schemat hartowania izotermicznego Obrobione cieplnie pr ty rozcinano na próbki udarno ciowe 10x10x55 mm. Na trzech próbkach dla ka dego punktu pomiarowego okre lano prac łamania na młocie systemu Charpy o energii 300 J. Na przekroju poprzecznym próbek udarno ciowych wykonywano zgład metalograficzny trawiony 2 % roztworem HNO 3. Obserwacje mikroskopowe i mikrofotografi wybranych próbek wykonano na mikroskopie wietlnym przy powi kszeniu 500 x. Na powierzchni ka dego zgładu wykonano pi pomiarów twardo ci HV Wyniki bada Po wy arzaniu ferrytyzuj cym osnow eliwa całkowicie pozbawiono fazy w glikowej (rys. 6). Ferrytyzowane eliwo miało twardo 143 HV10 i było o 13 jednostek mniejsze wzgl dem twardo ci eliwa surowego. Wielko ziarna ferrytu wynosi 0,033 mm, (numer 6 skali wzorców ASTM) i jest o 0,006 mm wi ksza ani eli w eliwie surowym (numer 7). Energia (praca łamania) eliwa ferrytyzowanego wynosiła KCG=98 J i jest zbli ona do energii KCG=106 J eliwa przed wy arzaniem. Produktami przemiany izotermicznej w temperaturze 400 i C po podchładzaniu w temperaturze t =850 0 C był ausferryt (rys 7a, 7b). Natomiast po podchładzaniu w temperaturze t =800 0 C w osnowie eliwa obok ausferrytu był ferryt, tworz c ziarna wokół wydziele kulkowych grafitu (rys. 7c), lub w postaci nieci głej siatki (rys. 7d). Stwierdzono, e udział wolnego ferrytu w eliwie wytrzymywanym w temperaturze t pi=400 0 C jest wi kszy ni udział w eliwie po przemianie izotermicznej w t pi=300 0 C. Stanowi to podstaw do uznania, e cz wolnego ferrytu powstała w warunkach anizotermicznych.

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, Rys. 6. Mikrostruktura eliwa sferoidalnego po dwustopniowym wy arzaniu ferrytyzuj cym. Pow. 500 x. Trawiono 2 % alkoholowym roztworem HNO 3 (Nitalem) Porównuj c mikrostruktur eliwa po hartowaniu z temperatury t =850 0 C i z temperatury t =800 0 C mo na stwierdzi, e podchładzanie i wytrzymywanie w t =800 0 C odbywało si w warunkach mi dzykrytycznych, a wi c tu poni ej Ar 1.1, w zwi zku z czym niewielka cz austenitu uległa przemianie w wolny ferryt. St d po hartowaniu z przemian izotermiczn w osnowie obok ausferrytu znajdował si wolny ferryt, którego udział nie przekraczał 5 %. Rys. 7. Mikrostruktura eliwa wychładzanego w temperaturze t = C oraz w temperaturze t = C czas przemiany izotermicznej 120 min. Pow. 500x, traw. 2 % alkoholowym roztworem HNO 3

7 100 Tomasz Gi tka, Krzysztof Ciechacki Aspekt aplikacyjny eliwa ADI Zmiany twardo ci hartowanego eliwa z temperatury t =850 i C i wytrzymywanego w temperaturze t pi = 400 i C, pod wpływem czasu pi pokazano na rys. 8. Twardo, HV t pi = C t pi = C τ pi, min Rys. 8. Wpływ czasu wytrzymywania pi na twardo eliwa hartowanego z temperatury t =850 0 C (krzywa 2, 3) i t =800 0 C (krzywa 1, 4) eliwo o strukturze ausferrytu górnego (t pi = C) ma mniejsz twardo ni eliwo z ausferrytem dolnym (t pi = C). Wydłu enie czasu pi powoduje spadek twardo ci eliwa, przy czym charakter zmian twardo ci zwłaszcza w t pi = C jest niejednoznaczna. Natomiast wpływ temperatury odchładzania t pi jest widoczny po przemianie izotermicznej w t pi = C, poniewa twardo eliwa jest wi ksza dla temperatury t =850 0 C. Czas przemiany izotermicznej w osnowie metalowej eliwa wywołuje takie zmiany, w strukturze austenitu i ferrytu, które kształtuj twardo eliwa. Udarno ausferrytycznego eliwa sferoidalnego po hartowaniu z temperatury podchładzania t =850 i C i przemianie izotermicznej w temperaturze t pi = 400 i C oraz czasie pi przedstawia rysunek 9. Ausferrytczne eliwo ma udarno KCG (próbki bez karbu) zale n od warunków hartowania. Zmiany udarno ci tego eliwa maj funkcj niemonotoniczn czasu wytrzymywania pi w temperaturze przemiany ausferrytycznej t pi. Natomiast bezwzgl dna warto udarno ci jest wi ksza dla eliwa odchładzanego w temperaturze t =850 0 C i wytrzymywanego w temperaturze t pi = 400 i C.

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 68, Udarno KCG, J/cm t pi = C t pi = C t pi, min Rys. 9. Zmiana udarno ci eliw pod wpływem czasu wytrzymywania pi w temperaturze t pi = 400 i C i po podchładzaniu w t =850 0 C (krzywa 1, 3) i t =800 0 C (krzywa 2, 4) eliwo o mikrostrukturze ausferrytu górnego (t pi = C) ma najwi ksze wska niki udarno ci KCG przy wytrzymywaniu w pi = 15 min. Wska niki te maj warto KCG > 100 i 120 J/cm 2 (krzywa 1 i 2) odpowiednio po podchładzaniu w t =800 i C. W literaturze naukowej informuje si, e w produkcji eliwa ADI do hartowania z przemiana izotermiczn powinno przyjmowa si eliwo o mikrostrukturze osnowy perlitycznej lub perlityczno ferrytycznej. Natomiast w niniejszej pracy podj to prób hartowania z przemiana izotermiczn w celu otrzymania osnowy ausferrytycznej, niestopowego eliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej. W procesie austenityzowania osnowy eliwa wykorzystano efekt zmiennej rozpuszczalno ci w gla w fazie pod wpływem temperatury nadkrytycznej. Podj to równie prób oceny procesu ausferrytyzowania przy zmieniaj cej si zawarto ci w gla podczas stopniowego austenityzowania. Nale y si liczy, e taki sposób austenityzowania powinien poprawi ujednorodnienie austenitu przed procesem ausferrytyzowania. 4. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych bada i ich analizy mo na przedstawi nast puj ce stwierdzenia: 1) obecno w osnowie wolnego ferrytu (ok. 5 %) obok dolnego i górnego ausferrytu nie wpłyn ło decyduj co na poziom wska nika udarowego zginania niestopowego eliwa ADI, 2) niestopowe ferrytyczne eliwo sferoidalne mo e by dobrym tworzywem odlewniczym w produkcji odlewów ADI, 3) ze wzgl dów utylitarnych zabiegi podchładzania i wychładzania mog okaza si korzystne po przeprowadzeniu dalszych bada.

9 102 Tomasz Gi tka, Krzysztof Ciechacki Aspekt aplikacyjny eliwa ADI Bibliografia 1. Dymski S.: Kształtowanie struktury i własno ci mechanicznych eliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, Rozprawy nr 95. ATR Bydgoszcz, Guzik E.: Procesy uszlachetniania eliwa, Wybrane zagadnienia, Archiwum Odlewnictwa PAN Oddział Katowice, Monografia nr 1M, ss.128, Guzik S. E.: eliwo ausferrytyczne jako nowoczesne tworzywo konstrukcyjne, In ynieria Materiałowa, nr 6, s.677, Hayrynen K.L.: Opportunities for austempered ductile iron (ADI),. International Scientific Conference Ductile Iron of the 21 ST Centry, Foundry Research Institute Kraków , Kovacs B.V.: On the Terminology and Structure of ADI, AFS Transactions, vol. 102, 6. Maffia J.: Thinking Thin with Grees Sond Cast Iron, Engineered Casting Solutions, s.44, Winter Pietrowski S.: eliwo sferoidalne o strukturze ferrytu bainitycznego z austenitem lub bainitycznej,. Archiwum Nauki o Materiałach, t.18, nr 4, s. 253, THE ASPECT OF APPLICATION ADI The paper presents the possibility of application of ductile iron of isothermal transformation (ADI) for responsible parts of vehicles and machines. For the selected smelting proposed a variant of the heat treatment, in order to obtain the final stage cast according to PN-EN ISO Austenitizing ADI hardening effect on the carbon content in the austenite versus temperature heating.ductile iron of matrix ferritic tempered with isothermal transformation in at temperature tpi = 400 and 300 0C in the time interval pi = min. The samples austenitized gradually. Research in this area will continue. Keywords: austempered ductile iron (ADI), mechanical properties Tomasz Gi tka Krzysztof Ciechacki Zakład In ynierii Materiałowej Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy ul. Kaliskiego 7, Bydgoszcz tgietka@utp.edu.pl, kciechacki@utp.edu.pl