MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI POWIERZCHNI ODLEWÓW Z ŻELIWA ADI

Transkrypt

1 36/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI POWIERZCHNI ODLEWÓW Z ŻELIWA ADI D. MYSZKA 1 Politechnika Warszawska, Instytut Technologii Materiałowych ul. Narbutta 85, Warszawa, Polska STRESZCZENIE Prowadzone badania nad żeliwem ADI sprowadzają się zwykle do właściwości objętościowych tego materiału. Właściwości warstwy wierzchniej nadal jednak pozostają zbyt mało rozpoznane. Dotychczas stwierdzono, że ADI posiada unikalną cechę umacniania powierzchniowego przez zgniot lub obróbkę mechaniczną. Podejmowane były również nieliczne próby innego rodzaju oddziaływania na ADI, np. przez proces PVD lub laserową modyfikację powierzchni, przede wszystkim ze względu na nietrwałość korzystnej mikrostruktury tego żeliwa w temperaturach klasycznych obróbek powierzchniowych. Zabiegi te miały jednak ograniczone zastosowanie. Poszukiwane są zatem nowe, lepsze, bardziej ekonomiczne metody modyfikacji właściwości powierzchniowych wyrobów z żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego. W artykule przedstawiony został nowy sposób obróbki powierzchniowej polegający na połączeniu obróbki cieplno-chemicznej z zabiegami obróbki cieplnej prowadzącej do otrzymania żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego. W artykule przedstawiono wyniki badań strukturalnych, twardości oraz odporności na zużycie przez tarcie żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie w złożach fluidalnych. Odpowiednie właściwości powierzchniowe uzyskano za pośrednictwem procesu wysokotemperaturowego węgloazotowania, który został adaptowany do cyklu obróbki cieplnej dla żeliwa ADI. Okazuje się, że w wyniku takiej połączonej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej można uzyskać wysoką twardość i odporność na zużycie żeliwa sferoidalnego oraz znacząco poprawić energochłonność cyklu jego obróbki cieplnej przez zespolenie dwóch procesów obróbczych. Keywords: austempered ductite iron,carbonitriding, microstructure, properties. 1 dr inż., myszkadawid@wp.pl

2 WPROWADZENIE Charakteryzując krótko ADI można powiedzieć, iż jest to żeliwo, które mając prawie dwukrotnie wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż klasyczne gatunki żeliwa sferoidalnego, posiada lepsze od nich właściwości plastyczne. Ma porównywalną wytrzymałość do stali obrobionej plastycznie i cieplnie, posiada dobrą odporność na zużycie i zmęczenie, można je również utwardzać przez zgniot i obróbkę mechaniczną. Żeliwo ADI to materiał, który zresztą tak jak inne gatunki żeliwa sferoidalnego, jest nieporównywalnie korzystniejszy pod względem przewodzenia ciepła czy tłumienia drgań od staliwa. Ciekawa historia zastosowań ADI jest obserwowana już od początków jego istnienia, kiedy to w 1976r. Firma General Motors z Detroit (USA) oświadczyła, że żeliwo to zastąpi nawęglaną kutą stal stosowaną dotychczas na koła zębate stożkowej przekładni śrubowej do osi tylnej samochodów Pontiac. Kolejne zastosowania to głównie zastępowanie stali nawęglanej (Chiny, Finlandia), aż do czasu opublikowania badań International Harvester wykazujących wyżs zość wałów korbowych z ADI od obrabianych cieplnie odkuwek stalowych. Inne jeszcze obejmują silniki Diesla do ciężarówek i traktorów oraz silniki z doładowaniem, silniki turbinowe i silniki do samochodów wyścigowych. Prototypy korbowodów i inne elementy po jazdów takie jak: amortyzatory, jarzma wału napędowego, wały krótkie, elementy układu kierowniczego, wałki przesuwne zmiany biegów i przeguby uniwersalne to przykłady badanych obecnie prototypów (Niemcy, USA, Finlandia). Jaki materiał zaoferuje konstruktorowi najlepsze połączenie niskich kosztów wytwarzania, elastyczności projektowania, dobrej obrabialności, wysokiego stosunku wytrzymałości do ciężaru oraz dobrej plastyczności, odporności na zużycie i zmęczenie? Być może ADI jest odpowiedzią na to pytanie. tak zaczyna się obszerna praca dostępna w Internecie, a dotycząca wielu szczegółów produkcji żeliwa ADI [1]. Brak w niej jednak szerokiego omówienia zjawisk powierzchniowych podczas obróbki cieplnej i właściwości warstwy wierzchniej odlewów z ADI. Powodem jest niewielka liczba publikacji i badań na ten temat. Właściwości ADI są przede wszystkim związane z przebiegiem hartowania izotermicznego. To podczas tego zabiegu kształtowana będzie morfologia i ilość ferrytu i austenitu w osnowie żeliwa sferoidalnego. Mieszanina ta w głównym stopniu determinuje większość właściwości mechanicznych ADI, stąd ogromna ilość publikowanych badań dotyczących tego zagadnienia [1,6,7,8]. Oprócz niezwykle ciekawych prac nad doborem odpowiednich parametrów obróbki cieplnej, rozpoznaniem mikrostruktury ADI, doborem składu chemicznego żeliwa, itp., prowadzone są nieliczne dotyczące warstwy wierzchniej żeliwa ADI [3,4,5]. Nie zaproponowano jednak do tej pory metody, która pozwalałaby na zapewnienie odpowiednich właściwości warstwy wierzchniej, np. odporności na ścieranie czy korozję odlewów, bez jednoczesnej zmiany ich wymiarów lub dodatkowych obróbek wykańczających. Proponowany pomysł przedstawiony w artykule wychodzi naprzeciw tym wyzwaniom obejmując swym zakresem

3 280 kształtowanie mikrostruktury warstwy wierzchniej odlewów bez obróbki skrawaniem, bądź poddawanych takiej obróbce przed zabiegami cieplnymi. 2. WARSTWA WIERZCHNIA WYROBÓW Z ADI ADI znane jest z tego, że może posiadać wysoką twardość, dobrą odporność na zużycie ścierne, dobrą odporność na kruche pękanie i wytrzymałość zmęczeniową [1]. Okazuje się, że właściwości te można uzyskać wzbudzając powierzchniowe naprężenia ściskające przez zastosowanie odpowiedniej obróbki powierzchniowej odlewów, w tym np. śrutowania lub walcowania powierzchniowego, czy też konwencjonalnych operacji obróbki skrawaniem tj. toczenia, wiercenia, szlifowania, frezowania [1,2,3]. W wyniku takich obróbek, które inicjują przemianę mało stabilnego austenitu w martenzyt, poza pozytywnym efektem poprawienia właściwości powierzchniowych, utrudniona staje się również obróbka skrawaniem ADI. Także dlatego, paradoksalnie mówi się, że chętniej wytwarzane są niższe gatunki tego materiału tzn. o niższej wytrzymałości i wyższej plastyczności, ze względu na lepszą obrabialność [9]. Wyżej wymienione modyfikacje powierzchni ADI (łącznie ze śrutowaniem i nagniataniem powierzchniowym) wymagają obróbki skrawaniem, która zwykle i tak jest wymagana po obróbce cieplnej. Austenityzacja bowiem sprzyja odwęgleniu warstwy wierzchniej ADI i utracie korzystnych powierzchniowych właściwości (rys.3). Również działanie korozyjne kąpieli solnych, stosowanych popularnie do hartowania izotermicznego, ma swój negatywny wpływ na powierzchnię. Obróbka mechaniczna jest jednak kłopotliwa w wypadku powierzchni o skomplikowanym kształcie, a bezpośrednio po odlewaniu przeznaczonych do eksploatacji na gotowo. W takich wypadkach mogą być stosowane specjalne metody tzw. bezpośredniego hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego [7], bądź obróbki powierzchniowe inne niż obróbka mechaniczna np. proces PVD lub laserowa modyfikacja powierzchni [4,5], jednak są one bardzo kłopotliwe z technicznego punktu widzenia i mają ograniczony obszar zastosowania. Proces PVD zastosowany został przez Feng a i współautorów [4]. Dzięki niemu, na konkretny gatunek żeliwa ADI, nałożone zostały warstwy TiN oraz TiCN. Warstwy te pozwoliły na zwiększenie twardości powierzchniowej oraz poprawienie do 22% wytrzymałości zmęczeniowej ADI w porównaniu do tego samego materiału bez pokrycia. Uzyskane w ten sposób warstwy były jednak niezwykle cienkie (1 2 m) i związane adhezyjnie z podłożem, co mogło skutkować poszukiwaniem specjalnych zastosowań dla wyrobów z żeliwa ADI. Również w publikacji Roy a i Manna znajdujemy ciekawy temat dotyczący laserowej modyfikacji właściwości powierzchni odlewów z ADI. Przez jego zastosowanie autorzy utwardzali warstwę wierzchnią w sposób miejscowy lub na ograniczonych powierzchniach, znacząco zwiększając odporność na zużycie ścierne tych powierzchni. Umocnienie powierzchni odlewów z ADI nie obrabianych mechanicznie (np. precyzyjnych) lub poddawanych obróbce skrawaniem poprzez usunięcie małej grubości

4 281 warstwy wierzchniej (do 100 m) wymaga procesu wpływającego na mikrostrukturę żeliwa w sposób skuteczny, ale zarazem prosty i tani. Sposobem takim wydawałyby się techniki klasycznych obróbek cieplno-chemicznych, lecz stosowane jako dodatkowe procesy, wpływają niekorzystnie na właściwości objętościowe ADI. Rozwiązaniem może być zaadaptowanie obróbki cieplno-chemicznej do cyklu cieplnego podczas otrzymywania ADI. 3. CIEPLNO-CHEMICZNA OBRÓBKA ADI Z dwóch zabiegów cyklu obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego: austenityzacji i hartowania z przemianą izotermiczną, ten pierwszy skłania do szczególnego zainteresowania z punktu widzenia modyfikacji mikrostruktury warstwy wierzchniej. Zwykle przebiega ona w sposób niekorzystny, tzn. w wysokich temperaturach rzędu 900 C, przy zbyt niskiej aktywności węgla w atmosferze ochronnej pieca do austenityzacji, przebiega migracja atomów węgla z powierzchni odlewu, a tym samym odwęglenie odlewu i uzyskanie ferrytycznej osnowy w warstwie wierzchniej wyrobu z ADI. Warstwa taka będzie musiała być usunięta skrawaniem ze względu na niską twardość, słabą odporność na zużycie ścierne i odporność korozyjną, itp. Temperatury austenityzacji sprzyjają jednak zastąpieniu atmosfery ochronnej atmosferą aktywną, powodującą pozytywne pod względem właściwości, przemiany w warstwie wierzchniej żeliwa. Charakterystyka austenitu żeliwa sferoidalnego w temperaturach austenityzacji będzie również sprzyjać takim modyfikacjom. Przede wszystkim istotne znaczenie będzie miała w tym wypadku zawartość węgla w austenicie, która została oznaczona na względnie niskim poziomie ok. 0,5 0,7% w temperaturach C, co umożliwia dodatkowe nasycanie austenitu [6]. Również udokumentowany tylko nieznaczny wpływ długości trwania austenityzacji na właściwości objętościowe ADI [6], będzie sprzyjał dobraniu odpowiedniego czasu oddziaływania na warstwę wierzchnią np. przez węgloazotowanie. 4. BADANIA Dzięki przeprowadzonym wstępnym badaniom udało się ustalić, że w wyniku kilku próbnych procesów na żeliwie sferoidalnym poddanym węgloazotowaniu wysokotemperaturowemu, wg zaproponowanej w artykule obróbki powierzchniowo - objętościowej (rys.1), możliwe jest uzyskanie prawidłowej mikrostruktury rdzenia oraz zmodyfikowanej warstwy wierzchniej próbek (rys.2). Wg wstępnych badań stwierdzono, że twardość powierzchniowa tych warstw jest o prawie 200 jednostek HV 0,1 wyższa od tej mierzonej na rdzeniu (rys.3) oraz posiada wyższą odporność na zużycie przez tarcie do próbek ze zwykłego żeliwa sferoidalnego poddanego klasycznej obróbce cieplnej (rys.4), a także obróbkom jarzeniowym [9]. Uzasadnione stały się szczegółowe badania zmierzające do ustalenia najbardziej korzystnych warunków cyklu proponowanej obróbki oraz wnikliwa analiza mikrostruktury kształtowanej w unikalny sposób.

5 Microtwardośc [HV0,1] Zużycie liniowe h [μm ] obciążenie 200MPa 282 Rys.1. Schemat obróbki powierzchniowoobjętościowej żeliwa sferoidalnego; T a temp. austenityzacji, T i temp. przemiany izotermicznej. Fig. 1. The scheme of surface-core treatment of ductile iron; T a austenitization temperature, T i austempering temperature. Rys.2.Mikrostruktura warstwy wierzchniej próbki z żeliwa ADI po węgloazotowaniu. Fig. 2. Surface layer microstructure of ADI sample after carbonitriding. 600 konwencjonalne ADI odległość od powierzchni [μm] węgloazotowane ADI Czas [min] Rys.3. Mikrotwardość HV 0,1 mierzona od powierzchni próbek z żeliwa ADI po węglowazotowaniu. Fig. 3. Microhardness HV 0,1 measured from the surface of ADI samples after carbonitriding. Rys.4. Porównanie odporności na zużycie ścierne próbek wykonanych z klasycznego żeliwa ADI i po węgloazotowaniu. Badania przeprowadzono na testerze T-04 przy obciążeniu 200MPa. Fig. 4. Wear resistance comparison of classic and carbonitrided ADI. Equipment tester T-04, load - 200MPa

6 DYSKUSJA Trudno jest, nawet doświadczonemu badaczowi, na podstawie jedynie zdjęć metalograficznych wywnioskować, jakie fazy mogą pojawiać się w mikrostrukturze zarejestrowanej na mikroskopie świetlnym. Jest tak również w wypadku węgloazotowanego żeliwa ADI. Mikrostruktura, która pojawia się w warstwie wierzchniej próbek z żeliwa ADI poddanego węgloazotowaniu jest na pewno inna od próbek poddanych klasycznemu cyklowi obróbki cieplnej. Zauważalne jest również jej rozdrobnienie w kierunku powierzchni. Jednak, aby jednoznacznie przesądzić o efektach strukturalnych wpływających na stwierdzoną bardzo dobrą odporność na zużycie przez tarcie i wysoką twardość, niezbędne są bardziej wyrafinowane badania. LITERATURA [1] [2] A.Trudel, M.Gangne: Effect of composition and heat treatment parameters on the characteristics of austmpered ductile iron, Canadian Metallurgical Quarterly, 1997, vol.36, nr5, ; [3] H.Vetters: Traitement bainitique (austepering) des fontes G.S., Hommes and Fonderie, Mai 1999, nr293, 38-41; [4] H.P.Feng, S.C.Lee, C.H.Hsu, J.M.Ho: Study of high cycle fatigue of PVD surfacemodified austempered ductile iron, Materials Chemistry and Physics, 1999, nr59; [5] A.Roy, I.Manna: Laser surface engineering to improve wear resistance of austempered ductile iron, Material Science and Engineering A297 (2001); [6] St.Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, Wyd. Uczelniane ATR, Bydgoszcz 1999; [7] D.Myszka, M.Kaczorowski, J.Tybulczuk: Żeliwo sferoidalne ausferrytyczne bezpośrednio hartowane izotermicznie, Wyd. Inst. Odl., Kraków 2003; [8] H.Bayati, R.Elliot: The concept of an austempered heat treatment processing window, Int. J. Cast Metals Res., 1999, 11, ; [9] J.Trojanowski, T.Wierzchoń, H.Kobus, B.Szpulski: Modyfikacje procesu azotowania jonowego w celu zwiększenia własności użytkowych wyrobów z żeliwa. Inżynieria Powierzchni, 1999, nr1, 3-9;

7 284 MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF AUSTEMPERED DUCTILE IRON CASTINGS SURFACE LAYER SUMMARY The article presents some basic and well-known information on the surface modification of austempered ductile iron (ADI) parts and castings. It has been shown that the best way of improving the surface properties of ADI is by machining or surface deformation through shot peening or surface rolling. It was mentioned that the conventional thermochemical treatment of ADI is very complicated because of destruction of the ausferritic matrix at high temperatures. That is why the author propose a non-conventional thermochemical treatment as a part of ADI heat treatment. In this way it is possible to obtain a favorable change in the properties of ADI surface layer. Recenzował Prof. Marek Soiński