ZASTOSOWANIE METODY ATD DO KONTROLI ŻELIWA WERMIKULARNEGO. R. WŁADYSIAK 1 Katedra Inżynierii Produkcji, Politechnika Łódzka

Transkrypt

1 48/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN ZASTOSOWANIE METODY ATD DO KONTROLI ŻELIWA WERMIKULARNEGO R. WŁADYSIAK 1 Katedra Inżynierii Produkcji, Politechnika Łódzka STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań procesu krystalizacji metodą ATD żeliwa wermikularnego. Stwierdzono występowanie charakterystycznych różnic między krzywymi ATD żeliwa wyjściowego i wermikularnego oraz istnienie korelacji pomiędzy charakterystycznymi parametrami krzywych ATD a właściwościami Rm, R p0,2, A 5 i HB. Otrzymane wyniki potwierdzają możliwość zastosowania metody ATD do kontroli procesu otrzymywania żeliwa wermikularnego. 1. WSTĘP Z analizy literatury [1-3] wynika, że własności mechaniczne żeliwa wermikularnego zawarte są pomiędzy własnościami żeliwa szarego i sferoidalnego. O ich wartościach decyduje zarówno przebieg krystalizacji pierwotnej jak i wtórnej, uzyskana w ich efekcie ilość grafitu wermikularnego i rodzaj mikrostruktury podłoża. Żeliwo wermikularne charakteryzuje się również bardzo małą skłonnością do pęcznienia, wysoką szczelnością, zbliżoną do żeliwa sferoidalnego i dobrymi własnościami odlewniczymi. Powyższe zalety powodują, że żeliwo wermikularne stosuje się obecnie na wiele odpowiedzialnych części maszyn takich jak: głowice i korpusy silników spalinowych, tarcze i bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, korpusy rozdzielaczy hydraulicznych, odlewy turbosprężarek. W pracach [4-6] wykazano, że metoda ATD umożliwia kontrolę krystalizacji pierwotnej i wtórnej żeliwa oraz ocenę jego własności mechanicznych Rm, R p0,2, A 5 i HB. Poniżej podano wybrane przykłady wykorzystania metody ATD do kontroli żeliwa wermikularnego. 1 Dr inż., rwladysi@ck-sg.p.lodz.pl

2 METODYKA BADAŃ Żeliwo wermikularne wytapiano z surówki Purofer oraz wlewków z żeliwa wyjściowego do otrzymywania żeliwa sferoidalnego z dodatkiem stali St3. W celu otrzymania żądanego składu chemicznego żeliwa, wsad uzupełniano dodatkami: żelazokrzemem Si90, czystym technicznie: manganem i niklem, żelazo-molibdenem FeMo70, miedzią odlewniczą gatunku M4 oraz cyną. Do wermikularyzacji grafitu stosowano miszmetal o następującym składzie chemicznym: 54% Ce, 32% La, 12% Nd. Skład chemiczny żeliwa określano na Quantowagu. Otrzymane wyniki przedstawiono w tablicy 1 w postaci zakresów występowania pierwiastków w różnych wytopach badanego żeliwa. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa Table 1. Chemical composition of cast iron Skład chemiczny, % C Si Mn Ni Cu Mo Sn P S 3,12 3,84 1,82 4,53 0,13 1,03 <2,50 <2,53 0,29 0,63 <0,35 0,02 0,05 0,02 0,04 Żeliwo wytapiano w piecu indukcyjnym tyglowym o częstotliwości 8 khz i pojemności tygla 100kg. Po roztopieniu wsadu wprowadzano ewentualne dodatki stopowe, przegrzewano do temperatury 1480 C ±10 C, a następnie dodawano 0,5% miszmetalu od masy ciekłego żeliwa. Po 3 min. od wprowadzenia miszmetalu, żeliwo o temperaturze 1480 C ±10 C modyfikowano 1,4% Si90 od masy ciekłego żeliwa. Po 5 min. od modyfikacji żelazokrzemem żeliwo odlewano do próbnika ATD 10 w celu określenia krzywych analizy termiczno - derywacyjnej oraz do form. Badania procesu krystalizacji siluminów wykonano metodą ATD z wykorzystaniem aparatury CRYSTALDIGRAPH PC/AT. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 1 (a, b) przedstawiono krzywe ATD żeliwa wyjściowego do wermikularyzacji (a) i po wermikularyzacji (b). Zeliwo zawierało 3,76% C i 2,68% Si, 0,65% Mn, 0,27% Mo, 2,44 % Cu, 2,48% Ni. Żeliwo wyjściowe (rys. 1 a) rozpoczyna krystalizację w temperaturze t A = 1197 C od wydzieleń grafitu. Początek krystalizacji eutektyki jest w temperaturze t c = 1180 C. Minimalna temperatura solidus wynosi t D = 1143 C, a maksymalna t F = 1148 C. Rekalescencja temperatury wynosi 5 C. W temperaturze t H = 1107 C kończy się krystalizacja eutektyki grafit + austenit. W temperaturze t I = 848 C następuje początek przemiany austenit perlit, której maksimum występuje w temperaturze t K = 605 C.

3 357 a) A C DE F G H I JKL N dt/d τ=f' ( τ ) -1.0 t, C dt/d, C/s τ t=f( τ ) τ, s Punkt τ, s t, C dt/dτ, C/s d 2 t/dτ 2, C/s 2 A C D E F G H I J,K,L N Rys. 1. Krzywe ATD żeliwa wyjściowego do wermikularyzacji (a) i po wermikularyzacji (b) o składzie: 3,76% C, 2,68% Si, 0,65% Mn, 0,27% Mo, 2,44 % Cu, 2,48% Ni i mikrostrukturze perlitycznej Fig.1. ATD curves of perlitic cast iron before (a) and after vermicularization (b) with composition: 3,76% C, 2,68% Si, 0,65% Mn, 0,27% Mo, 2,44 % Cu, 2,48% Ni

4 358 b) A C D E F H I J K L N dt/d τ =f' ( τ ) -1.0 t, C dt/d, C/s τ t=f( τ) τ, s Punkt τ, s t, C dt/dτ, C/s d 2 t/dτ 2, C/s 2 A C D E F H I J K L N Cd. rys. 1. Krzywe ATD żeliwa wyjściowego do wermikularyzacji (a) i po wermikularyzacji (b) o składzie: 3,76% C, 2,68% Si, 0,65% Mn, 0,27% Mo, 2,44 % Cu, 2,48% Ni i mikrostrukturze perlitycznej Contd. fig.1. ATD curves of pearllitic cast iron before (a) and after vermicularization (b) with composition: 3,76% C, 2,68% Si, 0,65% Mn, 0,27% Mo, 2,44 % Cu, 2,48% Ni

5 359 W temperaturze t N = 547 C kończy się przemiana austenitu. Po wermikularyzacji żeliwa maleje temperatura t A do 1190 C i znacznie obniża się temperatura krystalizacji eutektyki, mianowicie: t D =1108 C, t E = 1111 C i t F = 1116 C (rys. 1 b). Rekalescencja temperatury krystalizacji eutektyki wynosi 8 C. Obniża się również temperatura końca krystalizacji eutektyki do t H = 1064 C. W porównaniu z żeliwem wyjściowym temperatura t D obniżyła się o 35 C, t E o 34 C i t F o 32 C, a rekalescencja temperatury wzrosła o 3 C. Temperatura końca krystalizacji eutektyki t H obniżyła się o 53 C. Dynamika procesu krystalizacji eutektyki określona drugą pochodną efektu cieplnego po stronie punktu F jest około dwukrotnie większa niż w żeliwie wyjściowym. Spowodowane jest to dużym przechłodzeniem żeliwa, co zmniejsza krytyczny promień zarodka, wytwarzając jednocześnie dużą ich ilość oraz szybki wzrost. Efekt cieplny IKN na krzywej krystalizacji spowodowany jest przemianą w stanie stałym austenit perlit w temperaturze 667 C, która po wermikularyzacji wzrosła o 62 C. Jej rekalescencja wynosiła t L t J = = 6 C. Na krzywych ATD żeliwa wermikularnego o mikrostrukturze tylko ferrytycznej, w obszarze krystalizacji wtórnej występuje jeden efekt cieplny: K w temperaturze t K 760 C od przemiany austenit ferryt. W przypadku żeliwa wermikularnego o mikrostrukturze ferrytyczno - perlitycznej występują kolejno dwa efekty cieplne K i K od obu wyżej wymienionych przemian. Na rysunku 2 (a, b) pokazano mikrostrukturę żeliwa wermikularnego ferytyczno perlitycznego. a) b) Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa wermikularnego o składzie: 3,60% C, 2,50% Si. a) Zgład nietrawiony. Grafit wermikularny. Pow. x100, b) Zgład trawiony. Ferryt, perlit, grafit wermikularny. Pow. x500 Fig. 2. Structure of cast iron with wermicular graphite with: 3,60% C, 2,50% Si content. a) Vermicular graphite. Magnification - x 100, b) Microsection etching. Ferrite, pearlite, vermicular graphite. Magnification - x 500

6 360 Przykład krzywych ATD żeliwa wyjściowego i wermikularnego o mikrostrukturze martenzytycznej przedstawiono na rysunku 3. Dla tego gatunku żeliwa znamiennym jest brak efektu cieplnego przemiany austenitu na krzywej krystalizacji. Pozostałe cechy krzywych ATD są podobne do opisanych poprzednio. a) A C DEF GH dt/d τ= f '( τ) t, C dt/d, C/s τ t=f( τ) τ, s Punkt τ, s t, C dt/dτ, C/s d 2 t/dτ 2, C/s 2 A C D E F G H Rys. 3. Krzywe ATD żeliwa wyjściowego do wermikularyzacji (a) i po wermikularyzacji (b) o składzie: 3,80% C, 2,70% Si, 0,70% Mn, 0,30% Mo, 6,00 % Ni, 2,50% Cu i mikrostrukturze martenzytycznej Fig. 3. ATD curves of martensitic cast iron before (a) and after vermicularization (b) with composition: 3,80% C, 2,70% Si, 0,70% Mn, 0,30% Mo, 6,00 % Ni, 2,50% Cu

7 361 b) AC DE F H dt/d τ= f '( τ) 0-1 t, C dt/d, C/s τ t=f( τ) τ, s Punkt τ, s t, C dt/dτ, C/s d 2 t/dτ 2, C/s 2 A C D E F H Cd. rys. 3. Krzywe ATD żeliwa wyjściowego do wermikularyzacji (a) i po wermikularyzacji (b) o składzie: 3,80% C, 2,70% Si, 0,70% Mn, 0,30% Mo, 6,00 % Ni, 2,50% Cu i mikrostrukturze martenzytycznej Contd. fig. 3. ATD curves of martensitic cast iron before (a) and after vermicularization (b) with composition: 3,80% C, 2,70% Si, 0,70% Mn, 0,30% Mo, 6,00 % Ni, 2,50% Cu Dla opracowania zależności statystycznych pomiędzy Rm, R P0,2, A 5 i HB, a charakterystycznymi wielkościami krzywych ATD wybrano następujące ich parametry: t A temperatura likwidus, t H temperatura końca krzepnięcia stopu, t DF rekalescencja temperatury krystalizacji eutektyki,

8 362 intensywnosć krystalizacji eutektyki po jej maksymalnym efekcie cieplnym, intensywność krystalizacji ostatnich porcji cieczy. Parametry i liczbowo odpowiadają wartościom tangensów kątów nachylenia pomiędzy stycznymi do obszarów E-F i H-G krzywej krystalizacji f (τ)=dt/dτ i osią τ. Analizę statystyczną przeprowadzono metodą analizy regresji wielokrotnej krokowej. Uzyskane zależnosci opisano następującymi parametrami statystycznymi: współczynnikiem korelacji poprawionym ze wzgl. na stopnie swobody - R-squared (adjusted for d. f.), standardowym błędem szacowania - Standard Error of Est,, średnim bezwzględnym - Mean absolute error, testem Snedecora F, którego wartości przewyższały wartości krytyczne F kr. W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano następujące zależnosci: Rm = 1769,56 1,1412 t 52,9612 A 23,4318 t DF 28,1652 0, ( ) 2, MPa + R P0,2 = 1598,02 1,8899 t 0, ( ) A ,58 ( t + 32,8024 ) 1 DF 1 40,9174 +, MPa A = 163,086 0,05606 t 5 + 0,02961 ( ) H 2 + 0,05651 t 16,6277 DF + 936,73 ( ) + 9, ,0569 +, % HB = 892,86 0,6629 t 0, ( ) A 9,5639 t 2 + 6, , Wartości parametrów statystycznych dla każdej z otrzymanych zależności przedstawiono w tablicy 2. DF 2

9 363 Tabela 2. Parametry statystyczne dla zależności Rm, R P0,2, A 5, HB Table 2. The statistic parameters for the Rm, R P0,2, A 5, HB equations Rodzaj parametru Rodzaj zależności statystycznego Rm R p0,2 A 5 HB R-squared (adjusted for d. f.) 97,15 92,85 88,18 91,54 Standard Error of Est 17,66 26,10 0,27 13,02 Mean absolute error 9,81 14,63 0,12 7,06 F 75,98 29,58 12,72 24,81 Przeprowadzone badania Rm, R p0,2,a 5 i HB wykazały, że w zależności od mikrostruktury osnowy metalowej własności mechaniczne żeliwa zawierają się w zakresie Rm= MPa, R p0,2 = MPa, A 5 =0,5 8,0 %, HB= Ogólnie z analizy krzywych ATD żeliwa wyjściowego do wermikularyzacji i po wermikularyzacji wynika, że żeliwo wermikularne krystalizuje w temperaturze C niższej od żeliwa z grafitem płatkowym. Rekalescencja temperatury krystalizacji eutektyki jest większa niż dla żeliwa z grafitem płatkowym i zawiera się w zakresie 5-19 C w zależności od składu chemicznego żeliwa. Żeliwo wermikularne charakteryzuje się bardzo dużą intensywnością krystalizacji eutektyki w początkowej i końcowej fazie w porównaniu z żeliwem szarym. Przejawia się to bardzo stromym efektem cieplnym krystalizacji eutektyki, w wyniku czego występują duże wartości drugiej pochodnej po stronie punktów D i F. Na krzywej krystalizacji występują efekty cieplne przemiany austenit ferryt, perlit lub ich brak w wyniku przemiany austenit bainit, martenzyt. Z przedstawionych danych wynika, że metoda ATD umożliwia bardzo dokładną kontrolę procesu wermikularyzacji grafitu w żeliwie i przemian fazowych austenitu. Ponadto otrzymane zależności statystyczne pomiędzy parametrami ATD a własnościami mechanicznymi poszerzają efektywność tej metody w badaniach Rm, R P0,2, A 5, HB żeliwa wermikularnego. 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy badań wynikają następujące wnioski: żeliwo wermikularne krystalizuje w temperaturze C niższej od żeliwa z grafitem płatkowym, a rekalescencja temperatury krystalizacji eutektyki wynosi 5-19 C i jest większa niż dla żeliwa z grafitem płatkowym, istnieje statystyczna zależność między wartościami parametrów ATD a właściwościami Rm, R P0,2, A 5 i HB żeliwa, metodą ATD można kontrolować otrzymywanie grafitu wermikularnego, mikrostrukturę oraz własności mechaniczne żeliwa.

10 364 LITERATURA [1]. Riposan I.: Oxydations- und verschleißbeständiges siliziamlegiertes Gußeisen mit Vermiculargraphit. Gießereitechnik, 35, nr 10, 1989, s. 315 [2]. Hörle G., Schmidt G., Müller H.W.: Funktionsgerecht fertigen aus Gußeisen mit Vermiculargraphit Erfahrungen der Buderus Kundenguß GmbH. Giesserei Praxis, nr 8, 1989, s. 120 [3]. Kosowski A., Podrzucki C.: Żeliwo stopowe. AGH, Kraków 1981 [4]. Pietrowski S.: Ocena metodą ATD krystalizacji żeliwa z grafitem wermikularnym. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, Katowice, 1996, vol.22, s. 62. [5]. Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R.: Żeliwo stopowe z grafitem wermikularnym. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, Katowice, 1996, vol.37, s [6]. Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R.: Zbadanie krystalizacji żeliwa z grafitem wermikularnym oraz opisanie jej modelem analityczno - numerycznym. Projekt badawczy Nr 7T08B , Łodź Pracę zrealizowano w ramach projektu badawczego KBN nr 7T08B , SUMMARY CONTROL OF PRODUCTION OF CAST IRON WITH VERMICULAR GRAPHITE WITH ATD METHOD The test results of crystallization of cast iron with vermicular graphite, which were made with the thermal-derivative analysis method, have been presented here. The characteristic differences between cast iron before and after the vermicularization have been stated on the derivative curve. It has been proved, that there is a statistic dependence between the characteristic parameters of ATD curves and mechanical properties: Rm, R p0,2, A 5 and HB of this cast iron. The results verify the possibility to use the ATD method to control of production of cast iron with vermicular graphite. Reviewed by prof. Stanisław Jura