WPŁYW CECH STEREOLOGICZNYCH GRAFITU NA ANIZOTERMICZNĄ PRZEMIANĘ EUTEKTOIDALNĄ W ŻELIWIE SFEROIDALNYM

Transkrypt

1 42/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN WPŁYW CECH STEREOLOGICZNYCH GRAFITU NA ANIZOTERMICZNĄ PRZEMIANĘ EUTEKTOIDALNĄ W ŻELIWIE SFEROIDALNYM T. SZYKOWNY 1 Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Żeliwo sferoidalne niestopowe odlano do form odtwarzających próbki YIV (grubość ściany 75 mm) oraz odtwarzających próbki YII (grubość ściany 25 mm). Ko ń- cowa partia próbek YII na skutek zaniku efektu sferoidyzacji skrystalizowała z grafitem płatkowym. Otrzymano żeliwo z grafitem kulkowym grubym (YIV), grafitem kulkowym drobnym (YII) oraz grafitem płatkowym (YII). Sporządzono dla tych trzech przypadków metodą metalograficzną wykresy CTPc. Przeanalizowano wpływ cech stere o- logicznych grafitu na kinetykę i strukturę końcową żeliwa po anizotermicznej przemianie eutektoidalnej. Key words: spheroidal cast iron, continuous eutectoidal transformation 1. WSTĘP Podczas austenityzacji osnowa żeliwa jest nawęglana poprzez powierzchnię międzyfazową austenit-grafit. K. Hefurth i E. Gansauge [1] stwierdzili, że austenit żeliwa z silnie rozwiniętą powierzchnią austenit-grafit (żeliwa z grafitem płatkowym) nawęgla się do stanu nasycenia szybciej, aniżeli austenit żeliwa o mniejszej powierzchni właściwej grafitu (żeliwo sferoidalne). Parametry stereologiczne grafitu takie jak p o- wierzchnia właściwa, powierzchnia względna, średnia odległość miedzy wydzieleniami, udział objętościowy będą w znaczącym stopniu wpływać na przemianę eutektoidalną. 1 dr inż., tadeusz.szykowny@atr.bydgoszcz.pl 331

2 G.G. Bojko [2] badał przemianę eutektoidalną przy chłodzeniu ciągłym jednego gatunku niestopowego żeliwa szarego odlewanego do kokil metalowych lub do form piaskowych. W odlewach kokilowych wystąpił grafit o dużej dyspersji i rozłożeniu międzydendrytycznym, natomiast w odlewach z form piaskowych uzyskano grafit w postaci izolowanych płatków o małym rozdrobnieniu. W strukturze końcowej po chłodzeniu ciągłym, w całym zakresie prędkości chłodzenia, żeliwo z grafitem międzydendrytycznym ma więcej ferrytu aniżeli żeliwo z grafitem płatkowym. W grubościennych odlewach na granicach dużych ziaren eutektycznych wydzielają się węgliki z powodu wzbogacenia krzepnącej na końcu cieczy w pierwiastki węglikotwórcze (chrom, mangan, wanad) [3]. W trakcie austenityzacji węgliki te trudno rozpuszczają się i podczas przemiany eutektoidalnej mogą stanowić zarodki przemiany wg układu metastabilnego. Podstawowym celem pracy jest określenie i zinterpretowanie wpływu cech st e- reologicznych grafitu takich jak powierzchnia właściwa, powierzch nia względna, średnia odległość pomiędzy wydzieleniami grafitu na przemianę eutektoidalną podczas ciągłego chłodzenia. Praktyczny cel pracy polega na poszukiwaniu prędkości chłodzenia gwarantującej całkowitą grafityzację bezpośrednią żeliwa. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Podstawowym założeniem jest przyjęcie żeliwa o różnej dyspersji i postaci grafitu uzyskanej poprzez odmienne warunki krystalizacji pierwotnej z zachowaniem jednakowego składu chemicznego (odlewy z jednej kadzi). Żeliwo wytopiono w p iecu indukcyjnym sieciowej częstotliwości o pojemności 3,5 tony ze wsadu składającego się z surówki Sorel F1 i złomu obiegowego. Sferoidyzowanie ciekłego żeliwa zaprawą FeMgSi i modyfikowanie żelazokrzemem FeSi75 przeprowadzono w kadzi odlewn i- czej. Żeliwo odlano do form wilgotnych w postaci próbek Y. W pierwszej kolejności odlano 15 próbek YIV, a następnie z tej samej kadzi 150 próbek YII. Pomiary twardości wykazały, że końcowa partia próbek YII posiada wyraźnie zaniżoną twardość wynoszącą średnio 140 HB wobec 180 HB dla pozostałych odlewów. Badania metalograficzne ujawniły, że ta część partii odlewów posiada grafit pła t- kowy. Przyczyny pojawienia się tej postaci grafitu należy upatrywać w zaniku efektu sferoidyzacji. W dalszej części pracy przyjęto następujące oznaczenia: - żeliwo A z drobnym grafitem kulkowym (YII), - żeliwo B z grubym grafitem kulkowym (YIV), - żeliwo C z grafitem płatkowym (YII). 332

3 Żeliwo Liczba wydzieleń na 1 mm 2 zgładu NA, mm-2 Objętość względna Twardość, HB Rm, MPa ARCHIWUM ODLEWNICTWA Skład chemiczny żeliwa przedstawia tabela 1, a mikrostrukturę rys. 1. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa, % mas Table 1. The chemical constitution of cast iron, % mass Składnik C Si Mn P S Cr Cu Ti Mg %, mas. 3,82 3,41 0,19 0,057 0,02 0,04 0,04 0,019 0,05 Żeliwo A Żeliwo B Żeliwo C Rys. 1. Mikrostruktura żeliwa w stanie surowym, traw. 2%HNO 3, pow. mikr. 100x Fig. 1. Cast iron microstructure in crude state, etched 2%HNO 3, magn.100x Wyniki analizy metalograficznej i badania własności mechanicznych żeliwa przedst a- wia tabela 2. Tabela 2. Wyniki analizy metalograficznej i badania własności mechanicznych Table 2. The results of metalographical analysis and test of mechanical properties Grafit Osnowa Skład strukturalny, % obj. V(V), % Powierzchnia właściwa SV(V), mm -1 Powierzchnia względna SV, mm -1 Średnia odległość między wydzieleniami grafitu, m ferryt perlit Cementyt wtórny + eutektyka fosforowa A 97,5 11,5 120,9 13, ,8 13,1 0,1 180,1 513 B 35,4 11,2 75,5 8, ,5 12,1 0,4 171,2 471 C 288,3 12,7 331,8 42, ,2 11,7 0,1 140,0 - Wykonanie próby miało następujący przebieg: komplet 7 próbek 20x3 mm nagrzewano z piecem dylatometru ze średnią prędkością 0,27 K/s do temperatury aust e- nityzacji 960 C i wygrzewano przez 0,5 h. Następnie komplet próbek ochładzano w sposób pozwalający na uzyskanie określonej prędkości chłodzenia. Po osiągnięciu przez próbki zadanej temperatury lub po upływie zadanego czasu chłodzenia oziębiano w wodzie po jednej próbce. Dla danej prędkości chłodzenia wykonywano jedną próbę. Pomiar temperatury odbywał się za pomocą termoelementu NiCr-Ni zgrzanego z jedną z próbek. Krzywą chłodzenia rejestrowano na wykresie kompensatora. 333

4 Tabela 3 zawiera średnie prędkości chłodzenia zmierzone z wykresu kompensatora w zakresie temperatury od C. Tabela 3. Prędkość chłodzenia w K/s w zakresie C Table 3. Cooling speed in K/s in the range of C Żeliwo Prędkość V1 V2 V3 V4 V5 A 5,8 1,5 0,54 0,33 0,02 B 5,4 1,6 0,51 0,33 0,02 C 5,4 1,4 0,55 0,34 0,02 Żeliwo obrobiono cieplnie zgodnie ze schematem na rys.2. Rys. 2. Schemat obróbki cieplnej żeliwa Fig.2. Scheme of cast iron thermal treatment 3. WYNIKI BADAŃ W przypadku dużej prędkości chłodzenia (1,4 5,8 K/s, prędkość V1,V2) przemianę eutektoidalną rozpoczyna krystalizacja ferrytu i perlitu. Perlit w żeliwie A krystalizuje zarówno od granicy grafit austenit, austenit ferryt jak i w samym austenicie. W żeliwie B perlit krystalizuje w zdecydowanie przewadze w oddaleniu od grafitu, w kontakcie z liczniej występującymi w tym żeliwie ziarnami cementytu lub eutektyki fosforowej. Wykresy CTPc żeliwa A, B, C wraz z mikrostrukturami odpowiadającymi punktom 1, 2, 3 zaznaczonym na krzywych chłodzenia V1, V2, V5 przedstawiono odpowiednio na rys

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA V1 V3 V Rys. 3. Wykres CTPc żeliwa A, pow. mikr. 500x Fig.3. Diagram of CCT of A cast iron, magn. 500x 335

6 V1 V3 V Rys. 4. Wykres CTPc żeliwa B, pow. mikr. 500x Fig.4. Diagram of CCT of B cast iron, magn. 500x

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA V1 V3 V Rys. 5. Wykres CTPc żeliwa C, pow. mikr. 500x Fig.5. Diagram of CCT of C cast iron, magn. 500x 337

8 Izolinie odpowiadające przemianie austenitu w 1% perlitu przedstawia rys. 6, natomiast izolinie odpowiadające przemianie austenitu w 1% ferrytu przedstawia rys.7. Rys. 6. Izolinie przemiany austenitu w 1% perlitu Fig.6. Izolines of austenite change in 1% perlite 338 Rys. 7. Izolinie przemiany austenitu w 1% ferrytu Fig.7. Izolines of austenite change in 1% ferrite

9 Zawartość ferrytu po przemianie eutektoidalnej przedstawia rys. 8. ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 8. Zawartość ferrytu w funkcji prędkości chłodzenia po przemianie eutektoidalnej Fig.8. Content of ferrite in speed function of cooling after eutectoidal change 4. PODSUMOWANIE Cechy stereologiczne grafitu znacząco wpływają na mechanizm i kinetykę przemiany eutektoidalnej. Wzrost powierzchni właściwej i powierzchni względnej grafitu oraz zmniejszenie średniej odległości pomiędzy wydzieleniami sprzyja zachodzeniu przemiany eutektoidalnej wg układu stabilnego. Temperatura początku tworzenia się perlitu i jego zawartość po zakończeniu przemiany eutektoidalnej są największe w żeliwie o najmniejszej powierzchni właściwej grafitu (żeliwo B). Z praktycznego punktu widzenia żeliwo A chłodzone z prędkością 0,02 K/s jest ferrytyczne. Przypuszczać należy, że pełną ferrytyzację w odlewie grubościennym (żeliwo B) osiągnąć można poprzez dalsze zmniejszanie prędkości chłodzenia, lub prowadzenie austenityzacji w warunkach gwarantujących pełniejsze ujednorodnienie żeliwa. LITERATURA [1] K. Hefurth, E. Gansauge: FFH, seria B, nr 163, s. 77, [2] G.G. Bojko: MiTOM, nr 2, s. 77, [3] H., F. Mayer Hammerli: Przegląd Odlewnictwa, nr 2, s. 56,

10 INFLUENCE OF STEREOLOGICAL PROPERTIES OF GRAPHITE ON THE ANIZOTHERMAL EUTEKTOIDAL TRANSFORMATION IN SPHEROIDAL CAST IRON SUMMARY The spheroidal unalloyed cast iron was casted to forms reproducted YIV sa m- ples (thickness of wall 75 mm) and YII (thickness of wall 25 mm). As the result of spheroidation disappearing effects the final batch of samples YII crystallized with flake graphite. The cast iron with thick modular graphite (YIV), ball with graphite (YII) and plane graphite was obtained (YII). The diagrams CTPc for these three cases was made with using the metalographical method. The influence of stereogical flatures of graphite on kinetics and final cast iron structure after the anizothermal eutectoidal change was analysed. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 340