Politechnika Częstochowska,

Transkrypt

1 19, 1994 Solidification of Metais and Ałloys Krzepnięcie Metali i Stopów PL ISSN WPŁYW CHROMU I TYTANU NA KRYSTALIZACJĘ I WŁASNOŚCI ŻELIWA STANISŁAW BORKOWSKI Politechnika Częstochowska, Częstochowa W pracy przeanalizowano przebieg procesów aluminotermicznych w warunkach obróbki pozapiecowej żeliwa, czyli w warunkach, w których reduktorami tlenków metali mogą być krzem i węgiel. Ciekły metaliczny chrom jako cięższy od żeliwa szybko opuszcza środowisko reakcji, zwiększając w ten sposób jego uzysk. Tytan jest jednak lżejszy od żeliwa, sprzyja to jego przejściu do żużla. Dla tego pierwiastka na uwagę zasługują reakcje, których produktami są TiAl, TiFe. Teoretyczne rozważania zweryfikowano doświadczalnie. Mieszaninę Ti0, 2 Fe 3 0, 4 Cr 2 0, 3 Al, Mg, Si nanoszono na lustro żeliwa podczas napełniania kadzi. Badania przeprowadzono na podstawie planu rotstabilnego dla dwóch zmiennych: X,- ruda tytanu, X 2 - Cr 2, X,- 0,3-1,5%, xl - 0,4-0,8% w stosunku do masy stopu (80 kg). Tą technologią zwiększono zawartość o: tytanu - 0,25%, chromu - 0,54%, glinu - 0,24%. Po obróbce nastąpiła zmiana charakterystyk krystalizacji eutektyki. Wytrzymałość Rm ze 140 MPa wzrosła po zabiegu do 240 MPa. Badania metalograficzne wykazały znaczną zmianę struktury po obróbce mieszaninami egzotermicznymi. Żeliwo wyjściowe miało strukturę ferrytyczną, po zabiegu otrzymano strukturę perlityczną z licznymi wydzieleniami izolowanego cementytu i związków tytanu. Wprowadzenie i podstawy teoretyczne Korzystny wpływ chromu i tytanu na własności żeliwa szarego potwierdza praktyka. Chrom przy zawartości do 1,5% zapewnia otrzymanie żeliwa o Rm > 300 MPa, a przy domieszce W, Mo, Ti lub Sn i odpowiedniej obróbce cieplnej uzyskuje się Rm około

2 52 S. Borlwwski 700 MPa. Żeliwo z dodatkiem tego pierwiastka znajduje zastosowanie do produkcji odpowiedzialnych części samochodowych [l]. Chociaż w pracach spotyka się stwierdzenia o korzystnym wpływie tytanu na własności żeliwa niskochromowego, to opracowań z tego zakresu jest bardzo mało. W technologii stopowych mieszanek egzotermicznych, oprócz efektu cieplnego procesu, ważnym zagadnieniem jest zespolenie poszczególnych cząstek jej składników oraz zapoczątkowanie procesu metalotermicznego [2]. W badaniach jako spoiwa użyto szkła wodnego, a inicjatora reakcji zaprawy magnezowej z dodatkiem itru, który pozwolił na podgrzanie mieszaniny tylko do 400 K. Analizując układ utworzony przez składniki rudy tytanu (Fe 3 0, 4 Ti0 ), 2 tlenek chromu Cr 2 i Y, Mg, Al w temperaturze 473 K (po zetknięciu się mieszanki z ciekłym żeliwem) nastąpi utlenienie się itru, które inicjuje reakcję 4Mg + Fe30 4 -t 3Fe + 4Mg0 (l) Ze względu na bliskość Fe z Ti0 2 zajdzie reakcja (2) i w końcowym etapie (3) W obecności tlenu (tlenu z powietrza, żeliwa, mieszanki) mogą zachodzić bardzo niekorzystne zjawiska, szczególnie utlenianie powstałych Ti i Cr. Żeliwo jest środowiskiem, które sprzyja pożądanej reakcji Ti02 + 4/3Al + Fe -t TiFe + 2/3Ah03 (4) Krótki czas zabiegu powoduje powstawanie Ti 2 i TiO. Podczas napełniania kadzi żeliwem następuje jednak ciągle mieszanie umożliwiające przebieg reakcji w prawą stronę. W przypadku tytanu reakcję (2) w prawą stronę przesuwa z pewnością duże powinowactwo jego do azotu i węgla (składników żeliwa). Cel, warunki i zakres bad ań Celem niniejszej pracy było : - określenie wpływu składu mieszanki egzotermicznej (ilmenit + Cr 2 + Al + Mg) na krystalizację żeliwa szarego, jego własności i mikrostrukturę,

3 Wpływ chromu i tytanu wykazanie, że powyższe składniki zespolone szkłem wodnym i podgrzane do 400 K nie muszą zawierać dodatkowego źródła ciepła i topnika, - rozszerzenie zakresu zmian zawartości składników mieszanki w stosunku do spotykanych w literaturze. W pracy przedstawiono zmianę składu chemicznego, temperaturę końca krystalizacji eutektyki, rekalescencję eutektyczną, wytrzymałość na rozciąganie, powierzchnię zajętą przez wydzielenia grafitu i liczbę komórek eutektycznych w żeliwie obrobionym wspomnianą mieszanką egzotermiczną. Skład mieszanki ustalono na podstawie planowanej ilości dodatku ilmenitu i Cr 2 do żeliwa (tab. l), następnie po uwzględnieniu reakcji (2)- (4) obliczono wymaganą ilość glinu. Tabela I. Charakterystyka planu badań i skład kompozycji egzotermicznej Czynniki Zawartość w mieszance Iloś ć Oznaczenie rzeczywiste unormowane T i Cr Al dodatku XI ~ XI x2 6,20 1, ,7 17, , ,5 7, ,5 6, , , ,8 1,7 6, 18 0,3 0, ,1 17,7 2, ,9 0,6 o o , , ,9 0,6 o o 10,6 14,2 21,7 2, ,6 o o , ,9 Do tych składników dodawano 0,5% (w stosunku do masy obrabianego żeliwa) zaprawy magnezowej (12% Mg, 6% Ca, l % Y, 50% Si). Po zmieszaniu składników sypkich zw iązano je za pomocą szkła wodnego (10% od masy dodatku). Dla każdej próby mieszankę przygotowywano oddzielnie, bezpośrednio przed zastosowaniem suszono ją w temperaturze 400 K. Tak przygotowaną kompozycję rzucano do kadzi podczas jej napełniania żeliwem (masa obrabianego stopu około 80 kg), które było wytapiane w piecu indukcyjnym IST-016 o kwaśnym wyłożeniu. Wyniki i ich analiza Skład chemiczny otrzymanego żeliwa scharakteryzowano stopniem nasycenia eutektycznego Sc = C/(4,25-0,31S-0,33P+0,27Mn-0,4S+0,063Cr-O, 22Al+0, 14Ti) (5) C, S i, P... zawartość węgła, krzemu, fosforu itd. w żeliwie. Zmniejszenie zawartości w żeliwie po obróbce C, P i S oraz wzrost zawartości Cr i Ti wpływają w tym samym

4 54 S. Borkowski kierunku na warto ść Sc, powodują obniżenie jego wartości, natomiast zwiększenie zawarto ś ci Si i Al wpł y wa na wzrost wartości tego współczynnika. Sumaryczny wpływ tych zmian (rys. l) wskazuje, że wartość Sc waha się w granicach 0,966-0,996. Mak s ymalną warto ść Sc osiąga się po obróbce żeliwa minimalnymi ilościami dodatków. Wprowadzenie 1,5 % ilmenitu i 0,8% Crp zwiększa zawartość 3 Cr o 0,54%, Al- 0,24% i Ti- 0,25, a zmniejsza C o 0,20%. Stąd znaczne obniżenie wartości Sc dla tego wariantu obróbki. Rys. l. Zmiana wart oś ci w s pó łczy nnika Sc Zgodnie z te orią Rm 1 = , 5Sc (6) obniżenie warto ś ci Sc powinno spowodować wzrost wytrzymałości Rm żeliwa. Dane pomiarowe (rys. 2) są zgodne ze wspomnianą zależnością, bowiem maksimum Rm otrzymano po obróbce stopu maksymalnymi ilościami ilmenitu i Cr 2, czyli dla minimalnej warto śc i Sc. Należy zaznaczyć, że w porównaniu z wytrzymałością żeliwa wyjścioweg o ~ = 140 MPa nastąpił znaczny wzrost tej charakterystyki żeliwa. Naturalną konsekwencją zmiany Sc jest zmiana parametrów krystalizacji (rys. 3). Temperatura TS osiąga jednak ekstrema przy innych wartościach dodatków niż to miało miejsce wyżej.

5 Wpływ chromu i rvtanu r:e. D< t. C) ~ L: (\j ' <.j ""l.s Cl C)..,._ E: C\1 ::::" ~ t Rys. 2. Zmiana wartośc i R", Rys. 3. Zmiana wartości temperatury TS

6 56 S. Borkowski Ekstremalne wartości dodatków ilmenitu i Cr 2 zapewniają uzyskanie ekstremalnej rekalescencji eutektycznej (rys. 4). 0,.3 Rys. 4. Zmiana rekalescencji eutektycznej Szczególnie silny wpływ dodatków na TS-TSM zaznacza się przy minimalnym poziomie składnika dopełniającego kompozycję, ilmenitu przy 0,4% Cr 2 i tlenku chromu przy 0,3 % ilmenitu. W obu przypadkach zależność ma charakter odwrotnie proporcjonalny. Dalsza analiza TS-TSM wykazała ~T = 7, 7-7, 88 Cr m ~T = 6, 7-12, 8 ~Cr 2 ~T= 7, 4-8, 07 Cr 2 (7) (8) (9) gdzie: Cr m - zawartość Cr w kompozycji, ~Cr- przyrost chromu, Cr- zawartość chromu w żeliwie po obróbce. Wzory te są zgodne z teoretycznymi zależnościami.

7 Wpływ chromu i tytanu Rys. 5. Zmiana powierzchni grafitu Rys. 6. Zmiana wartości Lk O 6 oodate O aro 'k er z 3'.

8 58 S. Borkowski Powierzchnia zajęta przez wydzielenia grafitu (rys. 5) po obróbce wyraźnie zmniejsza się. Zmiana ta wywołana jest głównie dodatkiem Cr 2 do żeliwa. Wpływ ilmenitu zwiększa się z obniżeniem udziału Crp 3 w kompozycji, bowiem przy 0,8% Cr 2 zmiana wartości Pg osiąga wartość 0,6%, a przy 0,4% już 1,8%. Dla dodatku X 1 wartości o s iągają : 0,3 % Cr 2-3% i 1,5% ilmenitu - 1,3%. Po obróbce zaobserwowano w mikrostrukturze znaczne ilości wydzieleń węglikoazotków tytanu oraz izolowane wydzielenia węglików. Obróbka żeliwa spowodowała wzrost liczby komórek eutektycznych Lk (rys. 6). Dla osiągnięcia drobnokomórkowej struktury żeliwa należy ten stop obrobić dodatkiem 0,3% ilmenitu i 0,8% Cr 2, czyli minimalną ilością pierwszego i maksymalną ilością drugiego składnika kompozycji. Cr 2 sprzyja więc wzrostowi liczby komórek eutektycznych, ilmenit natomiast obniża tę charakterystykę mikrostruktury. Taki kierunek wpływu należy tłumaczyć różną aktywnością tytanu i chromu w stosunku do składników żeliwa. Chrom jest pierwiastkiem zmieniającym głównie charakterystyki węgla, zwiększa m.in. jego zawarto ś ć w eutektyce, natomiast tytan reaguje z azotem, którego wpływ na strukturę żeliwa jest znacznie mniejszy od węgla. Podsumowanie Rozszerzenie zakresu zmian ilości dodatku ilmenitu z przedziału 0,6%-1,2%, do 0,3 %-1,5% i tlenku chromu z 0,5 %-0,7% do 0,4-0,8% [3) potwierdziło wcześniej zaobserwowane zmiany co do wzrostu wytrzymałości Rm. Charakterystyki procesu krystalizacji i struktury wyjaśniają uzyskane własności mechaniczne żeliwa. Bowiem obróbka żeliwa szarego chromowo-tytanową mieszaniną egzotermiczną dzięki znacznej zmianie składu chemicznego stopu powoduje uzyskanie korzystnej jego mikrostruktury, którą to zasygnalizowały parametry krystalizacji eutektyki. Zaproponowany skład mieszanki daje oczekiwane wyniki, brak w niej topnika upraszcza nie tylko technologię jej przygotowania, ale również samej obróbki. Rozszerzenie przedziału zmian ilości ilmenitu i tlenku chromu pozwoliło na uzyskanie adekwatnych zależności dla ó T. Literatura J. A. GIEREK, A. BAJKA: Żeliwo jako tworzywo konstrukcyjne. Śląsk, Katowice T. W ARCHALA. S. BORKOWSKI: Arch. Nauki o Mater. 1988, 9, 2, S. BORKOWSKI, D.F. CERNEGA: Legirowanije czuguna titanom, chromom i aluminijem wnie pieczi. Krystallizacija i swojstwa wysokopracznogo czuguna w otliwkoch. IPL AN USSR. K.ijew 1990,

9 ~ \t p ływ chromu i rvtanu Summary THE INFULENCE OF Cr AND Ti ON CRYSTALLIZATION AND PROPERTIES OF CAST IRON A theoretical considerations have been verified experimentałly. A mixture of Ti0 1, Fe 3 0.., Cr 1 0.., Cr 1, Al, Si, Mg were supplied on a castion surface during a Jadle fiłłing. A research were carried out on the base of rotatable plan with two variables: X 1 - titanium ore, ~-Cr 1 A range of variables: X % and X % in a relation to cast iron mass (80 kg). Up to 0.25 % Ti, 0.4% Cr and 0.24 % Al has been inserted into the cast iron. A tensile strenght has increased from 140 MPa to 240 MPa as a result of the treatment.