W ADY STRUKTURY ODLEWÓW STALIWNYCH WYKONANYCH W FORMACH CERAMICZNYCH

Transkrypt

1 33/11 Solidililu1tion of Metais and Alloys, No. 33, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997 PAN- Oddzial Katowice PL ISSN W ADY STRUKTURY ODLEWÓW STALIWNYCH WYKONANYCH W FORMACH CERAMICZNYCH SOIŃSK.I Marek Sławomir, STRADOMSKI Zbigniew Politechnika Częstochowska Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa Streszczenie Badania struktury odlewów staliwnych wykonanych w formach ceramicznych wykazały, że w przypadku występowania w stopie nadmiernych ilości aluminium i zarazem przy wysokiej zawartości azotu oraz powolnym krzepnięciu i stygnięciu, mogą w nich wydzielić: się azotki aluminium. Prowadzi to do wystąpienia w tworzywie przełomu kamienistego, a więc bardzo istotnego obniżenia własności mechanicznych. Możliwe jest więc pojawienie się w odlewach wykonanych według technologii wytapianych modeli wad struktury właściwych dla masywnych i gruboziarnistych odlewów. WSTĘP Wprowadzenie aluminium do staliwa związane jest z koniecznością odtleniania staliwa oraz modyfikacji siarczków, celem uniknięcia wtrąceń II-go typu. W praktyce zdarzają się przypadki, że w trakcie wytapiania staliwa w piecu indukcyjnym aluminium dodawane jest do kąpieli w nadmiernych, niekontrolowanych ilościach (w celu "uspakajania" metalu). Zbyt duża zawartość aluminium, przy zarazem wysokiej zawartości azotu oraz powolne stygnięcie odlewów prowadzą do wydzielania się na

2 86 granicach ziarn azotków aluminium [l]. Są one przyczyną istotnego pogorszenia własności mechanicznych staliwa, głównie udamości i wytrzymałości na zginanie. Charakterystyczny dla staliwa ze zbyt wysoką zawartością aluminium i azotu przełom kamienisty pojawia się więc w przypadku masywnych odlewów i grubolaystalicznej struktury tworzywa. Zawartość azotu w staliwie nie przekracza zazwyczaj 0,012%; więcej azotu (do 0,025%) może wystąpić w staliwie żaroodpornym, żarowytrzymałym i nierdzewnym. Takie dodatki stopowe jak wanad, niob, chrom, tantal, mangan i molibden, wpływają na podwyższenie rozpuszczalności azotu w ciekłym żelazie [2]. Ilość azotu w staliwie zależy także od rodzaju procesu stalowniczego, np. przy wytapianiu metalu w kwaśnych piecach indukcyjnych wynosi ona 0, ,012 %; wzrost zawartości azotu o około 20% następuje w trakcie spustu i zalewania do form [l]. Z uwagi na niebezpieczeństwo wystąpienia przełomu kamienistego konieczne staje się ograniczenie ilości aluminium w tworzywie. Wykresy podające dopuszczalne ilości aluminium w staliwie w zależności od ilości azotu zawartego w metalu podano m.in. w pracy [1]. S.Stachura [3] uważa, że przy zawartości azotu 0,01% aluminium w ilości do 0,08% zabezpiecza przed wydzielaniem AlN z fazy ciekłej; dwukrotnie wyższa zawartość azotu obniża dopuszczalną zawartość Al do 0,04%. W przypadku odlewów wykonywanych według technologii WYtapianych modeli, a więc zazwyczaj drobnych i o niewielkim cięz:lu"ze, często przyczyną wad są mikroporowatości [4]. Można tutaj mówić o porowatości gazowej (powstającej najczęściej w wyniku reakcji chemicznych kąpieli metalowej z tworzywem formy) i mikrorzadziznach skurczowych. Okazuje się jednak, że i w technologii wykonywania odlewów w formach ceramicznych możliwe jest - przy równoczesnym wystąpieniu kilku niekorzystnych czynników - zaistnienie zjawisk typowych dla odlewów masywnych i wystąpienie wad struktury właściwych dla takich odlewów. BADANIA WLASNE Przedmiotem badań były odlewy o wysokich wymaganiach jakościowych (tak odnośnie dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni, jak i parametrów wytrzymałościowych). Wykonano je ze staliwa niskostopowego. Tworzywo odlano do

3 87 fonn wykonanych według technologii wytapianych modeli. Grubość ścianek fonn wyniosła około 10 mm (7 warstw). Ciężar odlewów wynosił około 9 kg, a układów wlewowych około 5 kg. Grubość ścianek odlewu mieściła się w granicach od 18 do 40 mm. Staliwo wytopiono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości i odlano do fonn z temperatury C. Należy dodać, że autorzy nie mieli możliwości ingerowania w sposób przeprowadzenia wytopów. Fonny <:eramiczne, umieszczone w metalowych pojemnikach i obsypane szamotem (dla zabezpieczenia przed zniszczeniem wskutek działania ciśnienia metalostatycznego), wypalono w temperaturze I000 C. Badane odlewy pochodziły z serii odlanych do form bezpośrednio po wyjęciu ich z pieca (większość odlewów wykonar1o w formach ostudzonych do temperatury C). Odlewy podlegały ulepszaniu cieplnemu tzn. hartowaniu (w oleju, z temperatury 860 C) i odpuszczaniu (w tt.mperaturze 500 C). Odbiór odlewów obejmował badania nieniszczące magnetyczne oraz poddanie ich dwu rodzajom obciążeń (odpowiadającemu obciążeniu roboczemu oraz - dla pewnej ich części - obciążeniu kilkakrotnie je przekraczającemu). Próby obciążenia wykazały, że odlewy ulegają zniszczeniu już poniżej obc:iążeń roboczych. Na rysunku l pokazano przełom zniszczonego elementu. Obok grubokrystalicznej struktury,,słupkowej" wyraźnie widoczna jest granica zetknięcia warstw krystalitów. Uwagę zwraca morfologia przełomu, w którym, oprócz pęknięć w płaszczyźnie prostopadłej do siły obciążającej, występują stosunkowo duże, płaskie, pionowe pęknięcia biegnące przez front transkrystalizacji. Grubokrystaliczna struktura potwierdzona została w trakcie obserwacji makroskopowych (rys. 2). Badania przy użyciu mikroskopu skaningowego potwierdziły kruchy, głównie międzydendrytyczny charakter pęknięć z wyraźnie ukształtowanymi ramionami dendrytów (rys. 3). Miejscami przełom ma charakter typowy dla przełomu kamienistego z dużymi płaskimi ściank~uni pokrytymi płytkowymi wydzieleniami azotków aluminium (rys. 4). W obszarze transkrystalizacji obserwuje się występowanie wyraźnych nieciągłości - niespójności frontów krystalizacji (rys. 5).

4 88 Z uwagi na powolne krzepnięcre i styg nięcie odlewów za celowe uzrwn o okreś leni e zawartości szeregu pierwiastków, zarówno w warstwie przypowierzchniowej, Jak 1 w ś rodkowej części odlewu (miała ona grubość około 20 mm ). W tablicy l podano wyniki anali zy chemicznej Rys. l. Przełom zni szczonego elementu : pow. L2x Rys. ' Strukt ura dendrytyczna staliwa ujawniona odczynnikiem Oberhoffera: pow. 20x, zmniejszenie lini owe O.:'i x

5 89 Rys. 3. Mię dzydend 1ytyczny charakter Rys. 4. Plytkowe wydzielenia azotków pęknięć. Mikroskop skaningowy alum inium. Mikroskop skaningowy Rys. 5. Nieciąg łoś ci na styku frontów k1ystalizacji z widocznymi wtrącenia mi niemetalicznymi. Mikroskop skaningowy Tab lica l. Skład chemiczny staliwa MieJsce Zm1 arto.\i" li ' % ll'ag hadanta c M n S i p s Cr Ni warstwa przypowierzc hniowa 0,09 0,47 0,.'\2 0,026 0,026 U ś rodek ścianki 0,34 0,.'\5 0,43 0, , C u Mo Al""" AliliCI Al;n N T i warstwa O, przypowierzchniowa -~ ś rodek ścianki O, 17 0,.'\4 0, '

6 90 Na uwagę zasługuje bardzo wysoka zawaliość aluminium, kilkakrotnie przekraczająca dopuszczalną ilość, znaczna zawmiość azotu oraz bardzo silna segregacja wymienionych pierwiastków i węgla. Ten ostatni pierwiastek wystąpił w środkowej części ścianki w ilościach prawie czterokrotnie wy<~szych, aniżeli w warstwie przypowierzchniowej. Podobne zależności, choć w mniejszej skali, odnoszą się także do aluminium. Znaczne ilości zarówno aluminium, jak i azotu pozostają w bardzo wyraźnym związku z występującymi w strukturze staliwa licznymi płytkowymi wydzieleniami AlN. PODSUMOW ANIE Niewłaściwe przeprowadzenie wytopu staliwa, głównie przedawkowanie aluminium, nadmieme zawaliości azotu w tworzywie (związane m.in. z technologią procesu stalowniczego), a także zbyt wysoka temperatura fonn ceramicznych powodują wystąpienie w stosunkowo niewielkich odlewach wad stmktury, typowych dla grubościennych, wolno stygnących odlewów, czy też wlewków. Nawet w ściankach o gmbości około 20 mm może wystąpić przełom kruchy, o charakterze przełomu kamienistego, inicjowany dużymi, płytkowymi wydzieleniami azotków aluminium. Wymienione wady struktu1y pierwotnej w najmniejszym stopniu, jak wykazały wykonane badania, nie zostały us u nięte przez zabieg obróbki cieplnej, polegającej na hartowaniu oraz wysokim odpuszczaniu. LITERATURA [l] Roesch K., Zimme1mann K.: Stahlguss. Verlag Stahleisen m. b. H., Dlisseldorf [2] Kniaginin G.: Staliwo. Metalurgia i odlewnictwo. Wyd.,,Śląsk", Katowice [3] Stachura S.: Wamnki i mechanizm powstawania przełomu kamienistego w staliwie konstmkcyjnym. Zesz. Naukowe Politechniki Częstochowskiej, Nr l l 3, Nauki Techniczne- Hutnictwo Nr 14, Częstochowa [4] Ott D.: Mikroporosirat beim Feinguss nach dem Wachsausschmelzve1fahren. Metali. Nr 10 (1994), str