UDARNOŚĆ ŻELIWA SFEROIDALNEGO PODDANEGO WYŻARZANIU GRAFITYZUJĄCEMU W CELU UZYSKANIA STRUKTURY FERRYTYCZNEJ

Transkrypt

1 61/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN UDARNOŚĆ ŻELIWA SFEROIDALNEGO PODDANEGO WYŻARZANIU GRAFITYZUJĄCEMU W CELU UZYSKANIA STRUKTURY FERRYTYCZNEJ M. S. SOIŃSKI 1, R. MUZYKA 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Katedra Odlewnictwa, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań udarności żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej, uzyskanej w wyniku wyżarzania grafityzującego żeliwa ferrytyczno-perlitycznego. Badania przeprowadzono w zakresie temperatur od 20 C do -40 C. Stwierdzono m.in., że w wyniku przeprowadzonej obróbki cieplnej nastąpił wyraźny wzrost udarności tworzywa (dla rozpatrywanego zakresu temperatur w granicach od około 30% do niemal 100%). Key words: nodular cast iron, impact resistance, ferritizing annealing 1. WPROWADZENIE Na odlewy pracujące w obniżonych temperaturach stosunkowo często stosuje się żeliwo sferoidalne o osnowie ferrytycznej (z uwagi na wysokie właściwości plastyczne). Żeliwo z grafitem kulkowym o takiej strukturze osnowy można uzyskać w stanie lanym, w wyniku odpowiedniego procesu metalurgicznego, bądź też poddając odlewy obróbce cieplnej. Wytworzenie żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej w stanie lanym wiąże się z koniecznością utrzymania zawartości szeregu pierwiastków w ściśle określonych granicach [1, 2]. Bardzo duże znaczenie ma wystąpienie osnowy czysto ferrytycznej, bowiem nawet stosunkowo niewielki udział perlitu w osnowie żeliwa 1 dr hab. inż., prof. P. Cz., 2 mgr inż.

2 442 sferoidalnego prowadzi do istotnego obniżenia właściwości plastycznych, np. udarności [3]. Żeliwo o strukturze ferrytycznej można uzyskać w wyniku wyżarzania grafityzującego żeliwa o strukturze perlitycznej lub perlityczno-ferrytycznej, prowadzącego do rozkładu cementytu w perlicie na ferryt i wolny węgiel, który krystalizuje na istniejących zarodkach (głównie wydzieleniach grafitu) [4]. W praktyce stosuje się wyżarzanie jedno lub dwustopniowe, przy czym stosowanie wyżarzania dwustopniowego jest konieczne, jeżeli w strukturze żeliwa wystąpił wolny cementyt, nawet w niewielkich ilościach. Choć uważa się, że wyżarzanie dwustopniowe umożliwia uzyskanie lepszych właściwości plastycznych żeliwa [4], dość często w krajowych odlewniach prowadzi się wyżarzanie jednostopniowe. Polega ono na wygrzewaniu odlewów w temperaturze poniżej temperatury A C1 ( C) w ciągu kilku godzin i następnym wolnym studzeniu. Pomimo ogólnej zależności spadku udarności żeliwa sferoidalnego w miarę obniżania temperatury, tendencji tej mogą towarzyszyć niekiedy bardzo wyraźne spadki i wzrosty badanego wskaźnika [3, 5-7]. 2. BADANIA WŁASNE Celem badań było określenie w temperaturach od 20ºC do -40ºC, ze zróżnicowaniem temperatury badań co 20K, udarności żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej, uzyskanej w wyniku obróbki cieplnej żeliwa o osnowie ferrytyczno-perlitycznej oraz możliwości podwyższenia tego parametru w wyniku takiej właśnie obróbki cieplnej żeliwa w relacji do udarności stopu nie poddanego wyżarzaniu grafityzującemu. Praca stanowi kontynuacją badań przedstawionych w artykule [3]. Żeliwo z grafitem kulkowym, wytworzone w jednej z krajowych odlewni (stop sferoidyzowano w kadzi smukłej metodą dzwonową przy użyciu zaprawy VL53M i modyfikowano modyfikatorem SB-5), zawierało podstawowe pierwiastki w następujących ilościach: C=3,46%; Mn=0,12%; Si=2,24%; P=0,032%; S=0,012%; Mg=0,058%. Z wytworzonego żeliwa sferoidalnego odlano wlewki próbne w kształcie litery Y o grubości, wysokości i długości części badawczej tych odlewów odpowiednio 25, 40 i 250 mm. Wobec stwierdzenia, że w żeliwie w stanie lanym wystąpiły niewielkie ilości perlitu, wlewki próbne poddano wyżarzaniu grafityzującemu. Wytrzymano je w piecu w temperaturze 730ºC, w zasypce grafitowej, przez okres trzech godzin, a następnie studzono z piecem. Dla umożliwienia oceny ewentualnych związków pomiędzy miejscem pobrania próbek z wlewków próbnych, a ich strukturą oraz udarnością, części badawcze tych wlewków podzielono na trzy warstwy tej samej wysokości. Ponadto wydzielono próbki środkowe i boczne (rys. 1). Badania metaloznawcze przeprowadzono na sześciu próbkach pobranych z trzech różnych warstw części badawczych wlewka próbnego (dodatkowo przy uwzględnieniu próbek środkowych i bocznych ):

3 443 w zakresie oceny cech wydzieleń grafitu zgodnie z normą PN-EN ISO 945 ( Żeliwo. Określanie cech wydzieleń grafitu. ) w zakresie oceny ilości perlitu oraz ferrytu zgodnie z normą PN-75/H ( Żeliwo szare, sferoidalne i ciągliwe. Badania metalograficzne. Określanie mikrostruktury. ) Rys. 1. Schemat pobierania próbek do badania udarności z części badawczej wlewków próbnych. Fig. 1. Pattern of taking specimens for the impact strength measuring from research part of the control samples. Wykonane badania, wyniki których zestawiono w tabeli 1, wykazały, że wyżarzanie grafityzujące doprowadziło do uzyskania niemal czysto ferrtycznej osnowy we wszystkich rozpatrywanych miejscach wlewka próbnego; ilość perlitu nieprzemienionego nie przekraczała 1% (patrz rys. 2). Wyniki badań cech wydzieleń grafitu pozwalają na spostrzeżenie, że w przypadku próbek środkowych w miarę oddalania się od spodniej części wlewka próbnego i przybliżania się do nadlewu, występuje tendencja do zmniejszania udziału grafitu VI (tzn. kulkowego) z około 95% (w przypadku próbki z warstwy 1) do około 75% (w przypadku próbki z warstwy 3), na rzecz grafitu o kształcie V.

4 444 Rys 2. Mikrostruktura żeliwa określona na próbkach pobranych z różnych miejsc wlewka próbnego; a) warstwa 1 środek, b) warstwa 1 bok, c) warstwa 2 środek, d) warstwa 2 bok, e) warstwa 3 środek, f) warstwa 3 bok. Zgłady trawione nitalem, pow Fig. 2. Microstructure of cast iron determined on specimens taken from different places of the control sample; a) layer 1 centre, b) layer 1 side, c) layer 2 centre, d) layer 2 side, e) layer 3 centre, f) layer 3 side. Nital etched, magn. 100.

5 445 Tabela 1. Ocena osnowy oraz wydzieleń grafitu występujących w badanym żeliwie Table 1. Assessment of the matrix and graphite precipitates in examined cast iron Lp. Warstwa, z której pobrano próbkę Miejsce próbki w warstwach Cechy wydzieleń grafitu Ocena ilości perlitu oraz ferrytu 1 1 środek 95% VI A 6/7 + 5% V A 6 P0Fe 2 2 środek 85% VI A % V A 5 P0Fe 3 3 środek 75% VI A 5/6 + 25% V A 5 P0Fe 4 1 bok 90% VI A % V A 6 P0Fe 5 2 bok 95% VI A 6 + 5% V A 5 P0Fe 6 3 bok 85% VI A % V A 5 P0Fe Rys. 3. Związek między temperaturą badań a udarnością żeliwa. Fig. 3. Relation between the temperature and the impact strength.

6 446 Należy dodać, że badania osnowy metalowej próbek wyciętych z wlewków badawczych w stanie lanym, wykonane w ramach pracy [3], wykazały, że ilości perlitu w próbkach środkowych pobranych z warstwy 2 i 3 wynoszą około 20%; w przypadku próbki z warstwy 1 stwierdzono występowanie osnowy czysto ferrytycznej. Ponadto należy zauważyć, że najmniejsze wydzielenia grafitu kulkowego oraz największe ich ilości wystąpiły z boku i w środku warstwy 1 (por. rysunki 2a i 2b z rysunkami 2c do 2f). Badania udarności żeliwa przeprowadzono w temperaturze otoczenia oraz w temperaturach 20ºC; 0ºC; -20ºC i -40ºC. W pierwszej z wymienionych temperatur pomiary wykonano zgodnie z normą PN-EN : grudzień 1994 Metale. Próba udarności sposobem Charpy ego. Metoda badania., a w temperaturach obniżonych zgodnie z zaleceniami normy PN-79/H Metale. Próba udarności w obniżonych temperaturach. Chłodzenie próbek żeliwnych do temperatury -20ºC przeprowadzono przy użyciu zamrażarki o wymuszonej cyrkulacji, a w temperaturze niższej zastosowano mieszaninę oziębiającą złożoną z alkoholu metylowego i ciekłego azotu, w której wytrzymywano badane próbki. Zmiany udarności (w zakresie temperatur od 20ºC do -40ºC) żeliwa sferoidalnego poddanego wyżarzaniu grafityzującemu, z uwzględnieniem warstw wlewka, z których pobrano próbki, przedstawiono na rysunku PODSUMOWANIE Przeprowadzone wyżarzanie grafityzujące wlewków badawczych pozwoliło na uzyskanie struktury niemal czysto ferrytycznej w próbkach żeliwnych pobieranych z warstw 2 i 3 ich części badawczych; warstwa 1 osnową ferrytyczną cechowała się już w stanie lanym. W wyniku wyżarzania w osnowie, obok wydzieleń kulkowych, wystąpiły wydzielenia grafitu o kształcie V w największych ilościach w warstwie 3 (patrz dane w tabeli 1). W temperaturach 20ºC i 0ºC udarność wszystkich badanych próbek mieściła się w granicach od około 16J do około 17J. W niższych temperaturach zaczyna być uchwytny związek pomiędzy warstwą, z której pobrano próbki, a ich udarnością (patrz rys. 3). Największe różnice udarności próbek, około 4J, stwierdzono w temperaturze - 40ºC; udarność próbek z warstwy 1 wynosiła 11,7J, podczas gdy z warstwy 3 spadała do około 7,8J. Na rysunku 4 zestawiono średnie wartości udarności żeliwa sferoidalnego w stanie lanym i po obróbce cieplnej (wyżarzanie grafityzujące w celu uzyskania osnowy ferrytycznej). W obu przypadkach żeliwo pochodziło z tego samego wytopu i miało ten sam skład chemiczny (wcześniej już przytoczony). Udarność żeliwa w stanie lanym określono w ramach badań wykonanych w pracy [3].

7 447 Rys. 4. Średnie wartości udarności żeliwa sferoidalnego w stanie lanym oraz żeliwa sferoidalnego po wyżarzaniu grafityzującym przeprowadzonym w celu ferrytyzacji osnowy; badania wykonane w zakresie temperatur od 20ºC do -40ºC. Fig. 4. Average values of impact resistance for as-cast nodular cast iron and the nodular cast iron after graphitizing applied for the purpose of matrix ferritizing; examinations performed for the temperature ranging from 20 to -40ºC. Z danych przytoczonych na rysunku 4 wynika, że przeprowadzona obróbka cieplna żeliwa sferoidalnego pociągnęła za sobą wyraźny wzrost udarności stopu i to we wszystkich rozpatrywanych temperaturach. Udarność żeliwa poddanego wyżarzaniu grafityzującemu była wyższa od udarności żeliwa w stanie lanym w temperaturze 20ºC o ponad 30%. Największe różnice stwierdzono w przypadku badań udarności wykonanych w temperaturze -20ºC; wyżarzanie grafityzujące doprowadziło do ponad 90%-ego wzrostu tego wskaźnika (w stosunku do stanu lanego). Należy dodać, że istotność różnic średnich wartości udarności żeliwa w stanie lanym i żeliwa po wyżarzaniu grafityzującym i to w pełnym zakresie rozpatrywanych temperatur została potwierdzona statystycznie testem t [8]. Wartości t obl. przyjmowały wielkości od 3,427 (dla temperatury -40ºC) do 9,361 (dla temperatury -20ºC), podczas gdy wartość tablicowa t kr. wynosiła 2,120 [8].

8 448 Po przeprowadzonej obróbce cieplnej żeliwo sferoidalne spełniło wymagania odnośnie do minimalnej wartości udarności dla żeliwa gatunku EN-GJS LT. Według normy PN-EN 1563 ( Odlewnictwo. Żeliwo sferoidalne ) winna ona wynosić w temperaturze -20 (± 2)ºC minimum 12J. Badane żeliwo po wyżarzaniu grafityzującym cechowało się udarnością na poziomie 14J, podczas gdy w stanie lanym [3] wynosiła ona około 7J. LITERATURA [1] M. S. Soiński, M. Mitko, S. Tomczyński, J. Szczerba, E. Gołąbek: Żeliwo sferoidalne do pracy w obniżonych temperaturach. Acta Metallurgica Slovaca R. 8, 2002, Nr. 2/2002 (2/2), s [2] C. Podrzucki: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie T. 2, Wyd. ZG STOP, Kraków [3] M. S. Soiński, R. Muzyka: Udarność żeliwa sferoidalnego ferrytycznoperlitycznego. Archiwum odlewnictwa, R. 6, 2006, Nr 19, s [4] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera. Odlewnictwo. T. II, WNT Warszawa, 1986 [5] M. S. Soiński, M. Mitko, S. Tomczyński, Ł. Bronik: Udarność żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Archiwum odlewnictwa, R. 4, 2004, Nr 11, s [6] W. Siefer: Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit von Gußeisen mit Kugelgraphit GGG Giesserei, T. 78, 1991, Nr 7, s [7] W. Siefer: Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit von Gußeisen mit Kugelgraphit GGG Giessereiforschung, T. 43, 1991, Nr 1, s [8] W. Volk: Statystyka stosowana dla inżynierów. Warszawa, WNT IMPACT RESISTANCE OF NODULAR CAST IRON SUBJECTED TO GRAPHITIZING FOR THE PURPOSE OF OBTAINING FERRITIC STRUCTURE SUMMARY The paper presents the investigation results concerning the impact resistance of nodular cast iron with ferritic structure obtained by graphitizing of ferritic-pearlitic cast iron. Investigations have been performed in the temperature range from 20ºC to -40ºC. It has been found that the applied heat treatment distinctly increased the impact resistance of the material. For the pertinent temperature range this increase changes from about 30% to nearly 100%. Recenzował Prof. Józef S. Suchy