PRÓBY TECHNOLOGICZNE W BADANIU PROCESU TWORZENIA SIĘ PĘKNIĘĆ NA GORĄCO W ODLEWACH STALIWNYCH.

Transkrypt

1 74/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN PRÓBY TECHNOLOGICZNE W BADANIU PROCESU TWORZENIA SIĘ PĘKNIĘĆ NA GORĄCO W ODLEWACH STALIWNYCH. I. TELEJKO 1, A. CHOJECKI 2 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE Analizowano przydatność prób technologicznych i specjalnych, dla oceny skłonności staliwa do tworzenia pęknięć w zakresie krzepnięcia. Stwierdzono, że uzyskane za pomocą tych prób wyniki wykazują znaczne różnice, a niekiedy są wręcz przeciwstawne. Rzeczywistą odporność stopu na pękanie można ocenić jedynie na podstawie pomiaru właściwości mechanicznych w tym zakresie, w którym tworzą się pęknięcia. Takie badania dostarczają danych dla oceny prawdopodobieństwa pękania konkretnych odlewów. Key words: cast steel, hot tearing, brittle temperature 1.WSTĘP Próby skłonności stopów lub odlewów z tych stopów do pęknięć na gorąco można podzielić na klasyczne próby technologiczne, w których skurcz odlewu próbki hamowany jest przez formę odlewniczą oraz próby, nazywane specjalnymi, w których hamowanie skurczu realizowane jest przez czynniki zewnętrzne. Do rozpowszechnienia prób należących do pierwszej grupy przyczyniła się prostota ich konstrukcji, zaletą prób drugiej grupy jest możliwość regulacji i ciągłego pomiaru siły hamującej skurcz krzepnącej próbki i pomiaru jej temperatury. Uważa się, że próby te łączą cechy klasycznych prób technologicznych z cechami prób do badania właściwości 1 dr inż. 2 prof.dr hab. inż., ach@uci.agh.edu.pl

2 mechanicznych stopów w temperaturach z zakresu temperatur krzepnięcia. W literaturze publikuje się nadal [np.1, 2] wyniki badania skłonności stopów odlewniczych do pęknięć na gorąco za pomocą prób technologicznych. Ocena przydatności prób technologicznych do pomiaru skłonności staliwa do pęknięć na gorąco jest celem niniejszego opracowania. Za podstawę oceny przyjęto porównanie wyników uzyskanych przez różnych autorów w badaniach. wykonanych za pomocą tych prób. 2. METODYKA I WYNIKI BADANIA SKŁONNOŚCI DO TWORZENIA PĘKNIĘĆ STALIWA W Zakładzie Odlewnictwa Staliwa Wydz. Odlewnictwa AGH prowadzono badania skłonności do pęknięć różnych gatunków staliwa, stosując zmodyfikowaną próbę Althoff Radtke. Uzyskane wyniki, zarówno dla staliwa węglowego jak i wysokomanganowego, okazały się zniechęcające ze względu na duży rozrzut oraz trudności interpretacyjne. Podobne zastrzeżenia można mieć dla innych, mniej rozpowszechnionych metod technologicznych. Rys.1. Wpływ węgla na wytrzymałość na rozciąganie krzepnącego staliwa [3] Fig.1. The influence of carbon on the UTS of solidifying steel [3] W próbach technologicznych, których liczne warianty stanowią modyfikacje powszechnie znanej próby Briggs a, próbki stopu, krzepnące w formie odlewniczej, poddaje się bądź to rozciąganiu po założonym czasie od momentu zalania wnęki formy, bądź to blokuje się skurcz próbek za pomocą zewnętrznego czynnika. Miarą skłonności

3 staliwa do pęknięć jest albo siła powodująca pęknięcie albo wytrzymałość staliwa na rozciąganie, definiowana jako stosunek zmierzonej siły zrywającej do wyliczanej powierzchni przekroju warstwy zakrzepłej. Przeanalizujmy uzyskane przez różnych autorów wyniki badań wpływu składu chemicznego, a zwłaszcza zawartości węgla, na skłonność staliwa do tworzenia pęknięć. Na rysunku 1 pokazano wyniki uzyskane przez B.B. Gulajewa [3]. Ze wzrostem zawartości węgla wytrzymałość staliwa na rozciąganie wzrasta, osiągając maksimum dla staliwa o składzie perytektycznym. Rys.2. Właściwości mechaniczne krzepnącego staliwa o zawartości: a 0.2 %C, b %C, c- 0.47%C. 1 odkształcenie plastyczne, 2- wydłużenie, 3 wytrzymałość na rozciąganie. Fig. 2 Mechanical properties of the solidifying steel: a 0.2 %C, b %C, c- 0.47%C. 1 plastic deformation, 2- elongation, 3- tensile stress. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań W.A. Jefimowa [4] przeprowadzonych dla staliwa węglowego, zawierającego 0.2%C (rys. 2a), 0,34%C (rys. 2b) i 0.47%C (rys. 2c) w zależności od średniej temperatury warstwy zakrzepłej. Wytrzymałości na rozciąganie badanych gatunków są prawie sobie równe i nie przekraczają wartości 5 MPa, wydłużenie staliwa średnio i wysokowęglowego nie jest większe niż 0.3%, a tylko niskowęglowego osiąga 0.5%. W pracach G. Kniaginina i I. Telejko [5,6] uzyskano następujące wyniki pomiaru wytrzymałości na rozciąganie staliwa: węglowego o zawartości %C: w temperaturach: 1755 K MPa, 1745 K - 1,77 MPa, 1730 K MPa, chromowo niklowego LH18N9 w temperaturach 1573 K

4 MPa, 1563 K 1.80 MPa. Według [7], skłonność do pęknięć staliwa o takiej samej zawartości węgla zależy od stopnia hamowania skurczu. Z przytoczonych badań wynika, że nawet stosując próby specjalne nie udało się jednoznacznie określić wpływu tak podstawowego pierwiastka, jakim jest węgiel. O powstawaniu pęknięcia decydują bowiem dwie grupy czynników. Pierwsza określa pole naprężeń w odlewie i jego zmiany w czasie, druga to odporność tworzywa Rys. 3. Właściwości mechaniczne staliwa w zakresie temperatur topienia. Fig.3. Mechanical properties of the cast steel in the solidification range. na działanie naprężeń. Pierwsza grupa czynników wynika z konstrukcji odlewu i technologii odlewniczej. Analizę wpływu tych czynników na pękanie na gorąco odlewów przeprowadza się metodami modelowania pola naprężeń w odlewie. Jest to możliwe przy zastosowaniu powszechnie znanych programów symulacyjnych jak Magmasoft, Procast, Simtec, a także specjalnych programów autorskich [np.8]. Odporność tworzywa na działanie pola naprężeń można określić poprzez badanie właściwości mechanicznych w zakresie temperatury tworzenia pęknięć. Na rys. 3 przedstawiono wyniki badań autorów niniejszego opracowania [11,12] wpływu węgla

5 na wytrzymałość na rozciąganie i przewężenie staliwa węglowego w zakresie temperatur topnienia. Staliwo miało następujący skład chemiczny: C Mn Si P S staliwo A 0,11 0,68 0,29 0,018 0,011 staliwo B 0,22 0,63 0,32 0,014 0,006 staliwo C 0,37 0,68 0,32 0,014 0,007 Kształt krzywych zależności badanych właściwości mechanicznych od temperatury dla badanych gatunków staliwa jest taki sam, niezależnie od zawartości w staliwie węgla. Na każdej z krzywych obserwuje się wyraźnie temperaturę przejścia stopu ze stanu plastycznego w kruchy. W tej temperaturze następuje gwałtowny spadek plastyczności oraz wyraźnie zaznaczony spadek wytrzymałości na rozciąganie. Poniżej tej temperatury, określającej koniec rzeczywistego krzepnięcia [9,10], powstanie pęknięcia jest niemożliwe. Miarą skłonności stopów do tworzenia pęknięć jest szerokość zakresu od temperatury początku skurczu liniowego do temperatury końca krzepnięcia. Gdyby staliwo było stopem podwójnym Fe-C zawartość węgla byłaby czynnikiem decydującym o szerokości tego zakresu. W praktyce obecność silnie segregujących zanieczyszczeń, takich jak siarka powoduje, że temperatura końca krzepnięcia jest znacznie niższa od określonej dla układu podwójnego. Wzbogacenie resztkowej cieczy w siarkę jest znacznie większe, jeżeli stal krzepnie z wydzieleniem austenitu [9,10]. Wyjaśnia to, dlaczego w staliwie B o perytektycznej zawartości węgla faza ciekła jest obecna do niższych temperatur niż w staliwie A zawierającym jedynie 0,11%C. Konsekwencją tego jest niższa w staliwie B temperatura końca zakresu kruchości. W późniejszych opracowaniach autorzy stwierdzili, że temperaturę przejścia staliwa węglowego ze stanu kruchego w plastyczny można podwyższyć poprzez zwiększenie stężenia manganu, a szczególnie przez modyfikację wapniem [10,11]. Pierwiastki te, wiążąc podczas krzepnięcia siarkę, powodują wyraźny wzrost temperatury końca krzepnięcia. W staliwie wysokomanganowym podobną do siarki rolę odgrywa fosfor, tworząc niskotopliwą eutektykę fosforową [12]. Analiza wyników badań właściwości stopu w zakresie, w którym mogą tworzyć się pęknięcia, pozwala zrozumieć mechanizm zarodkowania i propagacji pęknięć, uzasadnia znany wpływ procesów segregacyjnych, a także rolę zanieczyszczeń w procesie powstawania pęknięć. Pomiar właściwości stopu dostarcza dane źródłowe niezbędne dla prawidłowego prognozowania pola naprężeń, a także prawdopodobieństwa pękania odlewów i spawów. Takich danych nie można uzyskać na podstawie żadnych prób technologicznych czy też prób specjalnych. 3. WNIOSKI Analiza opublikowanych w literaturze [np. 1 7] wyników badań skłonności staliwa do pęknięć na gorąco za pomocą prób technologicznych upoważnia do stwierdzenia, że wynik otrzymany za pomocą próby jest przydatny wtedy i tylko wtedy, kiedy warunki

6 krzepnięcia i hamowania skurczu w próbie są zbliżone do warunków krzepnięcia i hamowania skurczu określonego odlewu. Rzeczywistą odporność stopu na pękanie można ocenić jedynie na podstawie pomiaru właściwości mechanicznych w tym zakresie temperatur, w którym tworzą się pęknięcia. Takie badania dostarczają danych dla oceny prawdopodobieństwa pękania konkretnych odlewów. LITERATURA [1] Mutwil J., Mat. V Konf. Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych. Sekcja Teorii Procesów Odlewniczych Komitetu Metalurgii PAN, Poznań- Kołobrzeg 2001, s.201. [2] Jura S. i inni.: Mat. Konf. Zaawansowane technologie w odlewnictwie staliwa. Wydz. Odlewnictwa AGH, Kraków, czerwiec [3] Gulajew B.B.: Litiejnyje procesy. Maszgiz, Moskwa [4] Jefimow W.A.: Razliwka i kristallizacja stali. Mietałłurgizdat, Moskwa [5] Kniaginin G., Telejko I.: Prace Komisji Metalurgiczno-Odlewniczej PAN O/Kraków, Metalurgia 14, Kraków 1971, s. 7. [6] Kniaginin G., Telejko I.: Mat. VII Konf. Sprawozdawczej Komitetu Hutnictwa PAN, Krynica 1974, s. 74. [7] Trubicyn N.A.: Litiejnoje proizwodstwo 1962, nr 4, s. 34. [8] Szczygiol N.: Zeszyty Naukowe Politechniki Częstopchowskiej, seria Monografie, nr 71, Częstochowa [9] Telejko I., Chojecki A., Kalas P.: Mat. The First Metall. Symposium of Iran. Ministry of Mines and Metals, Awhaz Shahid Chamran Univ., Avhaz 1991 r.37. [10] Chojecki A., Telejko I., Bogacz T.: Theor. Appl. Fract. Mech. 1997, nr. 27, s. 99. [11] Chojecki A., Telejko I., ibid., 1999, nr 31, s. 41. [12] Chojecki A., Telejko I., Steel Research 1992, nr 10, s TECHNOLOGICAL TESTS AS AN INSTRUMENT FOR STUDY OF THE HOT TEARING FORMATION IN THE CAST STEEL SUMMARY Usefulness of the technological tests in the examination of hot tearing tendency of cast steel has been studied. It was found that the large scattering of results appears in such tests. The study of mechanical properties of an alloy in the brittle temperature range can furnish a proper information about the probability of hot tears nucleation and propagation. Recenzował Prof. Stanisław Jura