ANALIZAZJAWISKA SEGREGACJI ODWROTNEJ WLEWKÓW BK331

Transkrypt

1 6/42 Solidification of Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN- Katowice, PL ISSN ANALIZAZJAWISKA SEGREGACJI ODWROTNEJ WLEWKÓW BK331 BYDAŁEK Adam W. Instytut Inżynierii Produkcji i Materiałoznawstwa Politechniki Zielonogórskiej, ul. Szafrana 2, Zielona Góra CZYŻ Marek Przedsiębiorstwo Wielobranżowe METKOL-Andrzej KRUPA Kowale, ul. Wieluńska 3, Praszka STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badai'l wlewków odlewniczych wykonanych w warunkach hutniczych. Dokonano analizy składów chemicznych występujących faz. Na podstawie przeprowadzonych analiz wskazano na przyczyny obserwowanej segregacji odwrotnej. l. WPROW ADZENIE Brązy krzemowe należą do grupy stopów o perytektycznej charakterystyce równowagowej, ze współczynnikiem rozdziału kls < 1. Wlewek hutniczy br ąz u BK331 powinien zawierać średnio od 3,5-5,2 Zn, 0,6-1, l Fe, 0,7-1,6 M n i 3,3-4,0 Si. Struktura omawianego stopu jest wielofazowa i obok dendrytów fazy alfa i wydzielei'l fazy gamma, powstałej w wyniku przemiany eutektoidalnej a+k, występują wydzielenia faz międzymetalicznych. Wspomniana reakcja eutektoidalna może występować nawet poniżej 728 K [1,2] będąc jedną z przyczyn segregacji odwrotnej [l]. Obecność manganu sprzyja występowaniu fazy Mn 5 Si 3. Dodatek Fe wpływa (powyżej l% wag.) na powstawanie fazy bogatej w żelazo, a nawet, przy przegrzaniu stopu powyżej 1490K eutektyki Si-FeSi 2. Podobnie jak opisany powyżej proces krystalizacji tak i starzenie sprzyja wydzielaniu wazy FeSi, FeSi 2 przyczyniając się do pękania odlewów. Znajdujący się często, jako

2 60 pozostałość po topieniu złomów, nikiel sprzyja wydzielaniu się na granicach ziaren fazy Ni 2 Si. Ilość olowiu w brązach krzemowych powyżej l% sprzyja natomiast segregacji, zwłaszcza segregacji odwrotnej. Polska norma 79/H nie dopuszcza w ogóle obecności tego pierwiastka w omawianym brązie BK33 l. Aluminium powoduje zawężenie zakresu fazy alfa sprzyjając spadkowi właściwości plastycznych odlewów i niebezpieczet'lstwu pękania na gorąco. Jako metody rafinacyjne zaleca się [3) stosowanie żużli pokrywającoochronnych i przedmuchiwanie azotem lub chlorem. Nie zabezpiecza to jednak przed rozpuszczalnością tlenu i pary wodnej sprzyjając tworzeniu się między innymi trudnotopliwego Si0 2 W niektórych technologiach zaleca się topienie brązów krzemowych w warunkach utleniających wprowadzając mangan lub jego rudę, lub higroskopijny, zawierający wodę krystaliczną boraks. Opracowany i zalecany do topienia brązów krzemowych [4] rafinator żużlowy pod nazwą Cupuniversal, zabezpieczając przed oddziaływaniem wodoru stopu (szczególnie przed tworzeniem się SiH 4 ), sprzyja jednak wysokiemu zgarowi w przypadku topienia złomu zanieczyszczonych i z tzw. otoczki. Wysokie wymagania stawiane brązom krzemowych skłoniły do próby zastosowania rafinacji w oparciu o redukujące warunki topienia z wykorzystaniem wielowęglikowych reagentów [5,6]. W prezentowanej pracy postanowiono zaprezentować wpływ zastosowanej technologii rafinacyjnej na charakterystykę wlewków hutniczych. 2. BADANIA PRZEMYSŁOWE Z obserwacji temperatur endotermicznego reagowania reduktorów i analizy innych efektów OT A i TG, według opracowanej metody ustalania zdolności rafinacyjnej żużli [6-8) wynikała konieczność ustalania ściśle określonych warunków technologicznych całości procesu topienia brązu BK331 w celu: - wyeliminowania wpływu wilgoci z niemetalicznych składników żużlotwórczych zastosowano zasadę dozowania ich wraz z metalicznymi składnikami wsadu, - optymalnego wykorzystania aktywnych reagentów R dozowano je na powierzchnię już roztopionego żużla, z zastosowaniem pokrywy na tyglu lub kotlinie pieca, - ustalenia maksymalnego czasu rafinowania wykorzystano wyniki analiz s kładu atmosfery topienia. Próby przemysłowe przeprowadzono w zakładzie hutniczym P.W. METKOL przetapiając złom w piecu indukcyj nym o p oje m ności 800 kg, a następnie rozlewając metal do form metalowych (wlewnic). Stosowano rafinator żużlowy o handlowej nazwie RK [9]. Przeprowadzonych ponad 50 wytopów pozwoliło na stwierdzenie, że sumaryczny wzrost niektórych składników stopowych zanotowany w grupie wytopów z występ ującą segregacją odw rotną

3 (Tab. l ), pomimo ich i l ośc i zgodnej z zalecanymi wg normy, m óg ł być powodem wystę p owa n ia zjawiska segregacji wtórn ej wlewków. 61 Wyniki analiz chemicznyc h Resul ts of chemical analysis Ta b. l. l 2 Pierwiastek S kład chemi czny -wytopy bez segregacji (p r. 1)/max. wg Pn- 79/H C u 88,482/ reszta Z n 4,749/ 5,2 S n 0,252/ 0,6 Pb 0,223/ - S i 4,078/4,0 M n 1,048/ 1,6 Fe l,081/ l, l Ni 0,047/0,9 Al. 0,004/0,2 Sb 0,0060/ 0,05 B i 0,0016/0,005 P. 0,0029/ 0,05 As 0,0043/ 0,05 s 0,0019/ 0, S k ł a d chemiczny* Roz bi eż n ośc i w S kł a d -wytopy z zawarto ś ci chemiczny s e g regacją (pr. Ił ) danego kulistego pierwiastka - wydzielenia (pr. róż n ica pr. łl - 1 / III) - u d z i a ł % 88,040-0,442 85,2 14 4,937 0,188/4% 4,403 0,272 0,020/ 8% 1,026 0,256 0,033/ 14% 0,678 4,236 0,1 58/4% 5,768 1,019-0,029/3% l,81 1 1,1 42 0,061/6% 0,849 0,053 0, % 0,115 0,005 0, % 0,007 0,0077 0,00 17/ 28% 0,0243 0,0048 0,0032/200% 0,0015 0,0254 0,0225/770% 0,0980 0,0054 0, % 0,0072 0,0024 0,0005/ 26% 0,0000 G R oz bi eż n ośc i w zawart o ś c i danego pierwiastka - ró żn ic a pr. łll - łl/ - u dz i ał% -2,830-0,534/ 10% 0,754/277% 0,422/ 164% 1,532/36% 0,792/77% -0,293/25% 0,062/ 116% 0,002/40% 0,0 166/2 16% 0,0033/69% 0,0726/ 285 % 0,0054/ 100% 0,0024/ l 00% * Uśredn i ony skład wlewków o tej samej charakterystyce powierzchni Przetapiani a takich partii w warun kach odlewniczych, na co zwracali u wagę odbiorcy, było c zęsto powodem p ę ka ni a odlewów w odlewni. Oprócz zestawionych w tablicy l składów chemicznych partii wlewków bez (l) i z wy s tęp ującą s eg regacją wtó rn ą (II ), w tablicy podano skład chemiczny wydzielell ku listych p o w s tający c h na powierzchniach wlewków. 3. ANALIZY STRUKTURALNE Badani a wykonane za pom o c ą mikroskopu optycznego (przy powię k sze ni a ch 150 i 500 razy) nie p ozwoli ły na ustalenie przyczyn powstawan ia ni ejed n orodności. Dlatego też kolejne anal izy przeprowadzono z wykorzystani em mikroanalizatara LECO GDS 750. W tablicy 2 zamieszczono zestawienie analiz głów n ych składników stopowych w fazie alfa i gamma, a także w obserwowanych wydzieleniach. Na rysunkach l i 2 przedstawiona zostały obrazy elektro nowe

4 62 struktury wlewka z segregacją odwrotną (rys.l) z powierzchni wlewka. wydzielenia kulistego Tab.2. Wyniki analizy chemicznej uzyskane z mikroanalizatara rentgenowskiego. R esu l ts o fh t e c h erruca. l rrucroanatysis l. l Pierw i a Wlewek bez segregacji (pr. Wlewek z obserwowaną Wydzielenie kuliste -stek* l) segregacją (pr. II) (pr. III) Faza Faza Ciemne Faza Faza Ciemne Faza Ciemne Jasne a Y wydzie a Y wydzie a wydzie wydzielenia(k) lenia(k) enia(k) lenia S i 5,72 4,82 1,19 4,49 3,08 22,71 16,03 13,52 0,00 Z n 3, 17 0,65 1,19 3,82 0,15 0,59 2,23 1,66 0,00 M n 0,8 1 0,70 4,44 0,72 0,69 4,72 14,72 31,52 0,00 Pb 0,07 0,00 0,00 0,14 0,00 0,00 0,00 0,00 99,90 Fe 0,21 0,00 66,52 0,68 0,05 65,06 19,92 14,3 1 0,00 Ni 0,00 0,00 0,00 0,35 0, 11 0,39 0,48 0,96 0,00 Sb 0,00 0,25 0,02 0,00 0,35 0,11 0,00 2,27 0,00 B i 0,00 0,13 0,01 0,00 0,19 0,10 0,00 1,68 0,10 P. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,18 0,57 3,39 0,00 C u 90,02 93,45 4,54 89,90 94,38 6,25 46,05 30,63 0,00 *Ilość danego pierwiastka w procentach masowych Rys. l. Wynik analizy za pomocą mikroskopu scaningowego wlewka BK331 z występującą segregacją odwrotną. Fig. l. Scanning elektron micrograph of the BK331 ignot with the segregation.

5 63 Rys. 2. Obraz analizy skaningowej wydzielenia kulistego powstającego w wyniku segregacji odwrotnej wlewka BK331. Fig. 2. Scanning electron micrograph of the precitipitation from the BK331 ignot. 4. DYSKUSJA WYNIKÓW I WNIOSKI Makroanaliza składu chemicznego grupy wlewków bez widocznej segregacji odwrotnej wykazała obecność ołowiu i krzemu w ilościach większych niż to ujmuje norma (Tab.l ). Również we wlewkach z widocznymi wydzieleniami powstającymi w wyniku zjawiska segregacji odwrotnej, oprócz tych dwóch wymienionych powyżej pierwiastków, tylko zawartość żelaza została nieznacznie przekroczona (l, 142% wobec l, l wg PN). Takie wyniki jednoznacznie mogłyby wskazywać na ołów i krzem jako pierwiastki będące przyczyną powstawania omawianego zjawiska. W stosunku do grupy wlewków "dobrych" zanotowano we wlewkach "złych" wzrost innych pierwiastków jak: siarki (nieznaczny), bizmutu i fosforu (kilkukrotny!).skład chemiczny wydzieleń kulistych wskazał na znaczą ilość, poza wymienionymi, antymonu i arsenu. Uzyskane wyniki częściowo potwierdziły obserwacje innych badaczy (np. Z. Górnego, S. Rzadkosza [2-4]), którzy sugerowali, że ze względu na zjawiska segregacji łączna ilość arsenu, bizmutu, antymonu nie powinna przekraczać 0,002%. Według analiz wykonanych przez autorów zawartość wyżej wymienionych pierwiastków może być większa, do ok. 0,0 l%, j ednak w żadnym przypadku nie można przyjmować zalecanej przez PN łącznej zawartości tych pierwiastków w ilości 0,055%. Analiza mikroskładu, a szczególnie wydzielenia kulistego, wskazała na i stot ną rolę żelaza i manganu, Ilo ść tych pierwiastków w wydzieleniu wynosiła odpowiednio: 19,92% i 14,72% w fazie alfa, oraz 14,31% i 31,52%(!) w fazie gamma. Wpływ manganu, zawężającego obszar występowania fazy k, oraz praktycznie nie wpływającego (nawet do 3% mas.) na obniżenie temperatury przemiany

6 64 eutektoidalnej wydaje się mniej Istotny niż żelaza. Graniczna rozpuszczalność żelaza w układzie Cu-Si-Fe wynosi bowiem tylko O, l%. Interesującym okazał się ponadto brak cyny w wielu zaleca nawet do 1,6%).Zebrane przez autorów wyniki badal'l z kilku lat produkcji stopu BK331 pozwalają ponadto stwierdzić, że bez oddziaływal'l katalitycznych ze strony wymienionych i omawianych powyżej pierwiastków dopuszczalna jest obecność ołowiu nawet do ok. 0,2%. Efekt oddziaływania tego pierwiastka, uważanego za główną przyczynę tzw. " wysięków ołowiu" (żargonowej nazwy segregacji odwrotnej w brązach), jest uzależniony od kompleksowego oddziaływania innych, wyszczególnionych w pracy pierwiastków. 5. LITERATURA [l] Ohno A.:"The Solidification of metals", Chijin Shokan Co., Tokyo, 1976 [2] Adamski C.,Rzadkosz S. :"Metalurgia odlewnictwo metali nieżelaznych,ag H, 1992 [3] Górny Z.: "Odlewnicze stopy metali nieżelaznych ", WNT, Warszawa 1992 [4] Adamski C., Rzadkosz S.: Przegląd Odlewnictwa, nr 4, 1993, 119 [5] Bydałek A.:"Zasady rafinowania stopów odlewniczych", WSI Zielona Góra, 1987 [6] Bydałek A.W.: "Ż użlowe układy tlenowęglowe w procesach topienia miedzi i jej stopów", Monagrafia nr 86 Wydawn PZ, Zielona Góra 1998 [7] Bydałek A.W.:Journal ofthermal Anal., vol45, 1995,919 [8] Bydałek A.W.: Arch. Techn. Maszyn i Autom., Nr l, 1999,7 [9] DOXPED: "Instrukcja stosowania rafinatora RK", Zielona Góra 1999 THE SEGREGA TION OF THE BK331 BRONZE IGNOT Summary In the presented work it has been decided to show the results of industrial and laboratary investigations obtained with reference to bronze BK331 (3,5-5,2 Zn, 0,6-1,1 Fe, 0,7-1,6 Mn and 3,3-4,0 Si). melting conduction. It has been describe the influences of same alloys componds on the segregation of the ignot.. The experiments on bronze melting proved that optimum is achieved, while using commercial refiner RK, w hen the minimum of B i, Sb, As, P and Fe are. The author have indebted to Mr Andrzej Krupa (METKOL) and Director of DOXPED for helpfuj advice