MARIAN PRZYBYŁ, STANISŁAW JURA JERZY KILARSKI, ANDRZEJ STUDNICKI JACEK SUCHOŃ

Transkrypt

1 20, 1994 Sołidification of Metais and Alloys Knepnięcie Metali i Stopów PL ISSN WPLYW BORU NA KRYSTALIZACJĘ I ROZDROBNIENIE STRUKTURY ŻELIWA CHROMOWEGO MARIAN PRZYBYŁ, STANISŁAW JURA JERZY KILARSKI, ANDRZEJ STUDNICKI JACEK SUCHOŃ Politechnika Śląska, Gliwice Żeliwo chromowe zawierające ok. 12% Cr i 2% C modyfikowano borem w celu rozdrobnienia struktury. Rejestracja procesu krystalizacji żeliwa za pomocą aparatury Crystaldigraph-PC ujawniła istotny wpływ boru na przebieg krzywych krystalizacji. Komputerowa analiza struktury potwierdziła korzystny wpływ boru na rozdrobnienie osnowy. Wstęp Żeliwo chromowe jest często stosowane jako tworzywo na elementy maszyn i urządzeń narażonych na intensywne zużycie erozyjne, a ich wybór zależy często od doświadczeń eksploatacyjnych, opanowania technologii produkcji. Wadą tego tworzywa jest znaczna kruchość i w przypadku stosowania go na elementy obciążone dynamicznie d ąży s ię do zmniejszenia zawartości węgla. Mniejsze stężenie węgla sprzyja wystąpieniu w strukturze skupisk węglików w przestrzeniach międzydendrytycznych (po granicach ziarn), niekorzystnie wpływając na własności mechaniczne żeliwa. W szeregu badaniach [ 1-5] dodawano do że liwa niewielkie ilości Ti, Zr, V, B w celu rozdrobnienia i równomiernego rozłożenia węglików. Stąd w pracy podjęto próbę określenia wpływu dodatku boru na rozdrobnienie struktury.

2 84 M. Przybył i inni Przebieg i wyniki badań Badania oparto na wyjściowym żeliwie średniochromowym zawierającym ok. 12% Cr i węgla do 2%. Pozostałe wytopy zawierały bor w ilości od 0,057 do 0,83%. Skład chemiczny wytopów przedstawiono w tabeli l. Tabela l. Skład chemiczny badanych żeliw Nr wytopu Udział procentowy składników c S i M n Cr s B l 1,83 0,47 0,30 11,61 0, ,86 0,91 0,37 11,74 0,058 0, ,72 0,75 0,28 10,87 0,046 0, ,62 1,15 0,27 11,01 0,050 0,829 Żeliwo wytapiano w laboratoryjnym piecu średniej częstotliwości, o wyłożeniu obojętnym i pojemności 30 kg. Składnikami wsadu metalowego była surówka Pl, złom stalowy, żelazochrom FeCr030 i żelazobor FeB3. Żelazobor dodawano do tygla pieca indukcyjnego przed spustem. Próbki do badań o średnicy 10, 25, 50 mm odlewano do form wykonanych z masy bentonitowej. Analizę termiczną i deriwacyjną (A ID) procesu krystalizacji badanych żeliw przeprowadzono z wykorzystaniem aparatury Crystaldigraph-PC. Porcję ciekłego metalu wlewano do próbnika ATD-10 i rejestrowano krzywe stygnięcia T = f(t) oraz krystalizacji dt/dt = f( t). Badania struktury obejmowały klasyczne badania metalograficzne na mikroskopie świetlnym oraz komputerową ilościową analizę obrazu struktury. Zgłady przygotowano w sposób standardowy, stosując różne odczynniki trawiące osnowę bądź węgliki. Wybór uzależniony był od tego, który obraz struktury lepiej nadawał się do pomiaru wielkości komórek eutektycznych. Ilościową analizę obrazu struktury przeprowadzono na komputerowym analizatorze obrazu "MAGISCAN 2AR". Obserwację prowadzono w polu jasnym stosując obiektywy o pow. 20 i 40x. Pomiary prowadzono na ekranie monitora złożonego z 512 x 512 "punktów". Powierzchnia pomiarowa l pola wynosi odpowiednio i f.llll 2. Segmentacja obrazu pola pomiarowego była kontrolowana na zasadzie interakcji z ekranem komputera. Na uzyskanym w ten sposób obrazie binarnym system dokonywał automatycznie detekcji obiektów. Posługiwano się piórem świetlnym w operacji "edytor" umożliwiającym korektę detekcji (połączenia lub rozdzielania) obiektów (komórek eutektycznych). Każdej komórce zmierzono powierzchnię, długość oraz obwód. W badaniach przyjęto, że wydzielająca się w przestrzeniach międzydendrytycznych eutektyka węglikowa pośrednio wskazuje na wielkość komórki osnowy. Analizę ilościową struktury prowadzono na l O polach pomiarowych każdej próbki. Wykresy A ID dla poszczególnych wytopów przedstawiono na rysunku l. Przebieg krzywych ATD wytopu l (rys. la) jest typowy dla żeliwa białego chromowego o niskiej zawartości węgla i charakteryzujący się znaczną różnicą temperatur likwidus i solidus, wynoszącą ok. 120 C, i efektem cieplnym krystalizacji wskazującym na niewielki udział eutektyki. Dodatek boru (ok. 0,06%) powoduje nieznaczną zmianę krzywej krystalizacji,

3 t, c,,,,., c f li l l fi i i qrttttttn!tttt't f"ttl' T n n fttt ftt1"t' f l rt'tli l t'] fł50 a) i e 1no -!.110 -!.lo - l.ło :.. /' /.r, 'C/t 1.01 l lloi l l lo IOf'l O% B 1006 t :!! i : h!!li li 11j!l li i t l l lillj..ili..l...j..ii.j...l.j I i!llli! Ił t.i..iu...lij li U no llo loo! Ile 110 9t Ił l" l 1.5f [TTTTTTTTTTTf'"TT'!TTTTl' TTT1'T TTTTTT1" nm-it"t l TTTl 'ł IT"T! l 't l f n l 1 1 -ł. lo ! b) -l. ot -,//; -uo : /.. /( L/\ j. : /t!\.,.; - 0' : _; ' >/ : ;.// % ;.. l " j... \.v>.,/'_,... B ifj: -4,50 b'' '!l l tol1o 1 i11,j li 11j lll t...i..u_ciujji_iu...ii.jiu jj l ilii!!eoł tut, s 3M ljo JOe 171 7t0 711 l to łg ' " ' Rys. l. W ykresy ATO badanych że li w: a) wytop nr l. b) wytop nr 2, c) wytop nr 3, d) wytop nr 4,,., _ c e 110<1 lllł lloo Ino ll:!t 111) l. lo -!.00 -!.lo l.oo -l. 50 i. '""""')");'""'"":"" "';""" - r"-tjr ;.'< -, \ : : :, _,. :..,... ; : \ - - >' li l ij, J_/>)"'. i 1 j,.,.. J._,-... : rl c,..,/ o.41% B 1rq.,'[ 15<\ / t 50 h 1 1 i 1 1 i..l..j.j._li i 1 1 i 1 l' i ' 'l i 1 u...l uili.u...i..u...u l.u._.,w 1000 Crn, llo loo !lO '1 tn 10 Jn O,,,.,,, ;.: o.lł 0.00 lll() t.lo \ ;.---'\.-- ''-"' ll (1 l. OO -l. l() 'TTTrTrtlr n rrrr",'t' ' f'' '"' l l i :111 l,.,.,...,.,,.,l l''' d).. i } }!r-, } ;! , \; v. ' / :... ; ' /'te ; ; ( :- / -uot, O.B 2 9 % B, \ K h 11 1 i l 1 i u...ui.i...j...jlujl.u.t L u i. t u tlu.j t.l UJ i 1 1 l w 1000 Crn, llo loo l lo 110 ;o o <1 lllo llo<i lllo 1150 '"' ;t lloo lloo l!l() <:r- 0 ;:, l:l ;.:-!i. ' - "" 00 Ul

4 86 M. Przybył i inni z zachowaniem prawie tych samych temperatur likwidus i solidus (rys. l b). Natomiast większe s tężenie boru w żeliwie wpływa istotnie na zmianę procesu krystalizacji. Dodatek ok. 0,42% B obniża temperaturę likwidus i solidus o ok. 30 C oraz przyczynia s ię do pojawienia dodatkowego efektu cieplnego w obszarze eutektyki węglikowej (rys. Ie). Zwiększenie ilości boru do ok. 0,83% to dalsze obniżenie Ts i T L oraz znaczne powiększenie dodatkowego efektu cieplnego (rys. ld). Z obserwacji struktury żeliwa wyj ściowego (wytop l) pod mikroskopem optycznym stwierdzono wyraźny wpływ grubości próbki na wielkość komórki eutektycznej osnowy - rys. 2a. Wprowadzenie niewielkiej ilości boru powoduje znaczne rozdrobnienie osnowy próbki grubościennej, podczas gdy w cienkościennej nie zauważono zmian. Duży dodatek boru, ok. 0,83%, wpływa na rozdrobnienie osnowy zarówno próbki małej, jak i dużej średnicy (rys. 2b). Komputerowa analiza struktury pozwoliła na ilościową ocenę rozdrobnienia osnowy wskutek wzbogacenia żeliwa w bor. Średnie wartości powierzchni, długości i obwodu komórek przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Średnie wartości wybranych parametrów stereologicznych żeliw Nr wytopu Średniapow. komórki Średnia długość komórki Średni obwód komórki 2 J.lm J.! m J.! m śre d. próbki, mm ś red. próbki, mm ś red. próbki, mm lo lo lo l Najmniejszy dodatek boru do żeliwa (ok. 0,06%) w sposób nieznaczny zmmejsza wielkości komórki tylko w próbkach o ś rednicy 25 i 50 mm. Istotne zmniejszenie komórki występuje w żeliwie zawierającym ok. 0,42% B, natomiast jego największa zawar to ść (wytop 4) przyczynia s ię do ok. 2,5-3-krotnego zmniejszenia ś redniej powierzchni komórki w porównaniu z analogiczną w żeliwie bez boru (tabela 2). Opis struktury przedstawiony tylko za pomocą estymatorów punktowych różnych rzędów, takich jak ś rednia i odchylenie standardowe parametrów stereologicznych jest niewystarczający, stąd celowo przedstawiono ich rozkłady. Rozkłady liczby komórek- przypadających na l mrn 2 przekroju w klasach wielkości powierzchni [!lid 2 ] - przedstawiono na rysunku 3. Histogramy wykonano w układzie półlogarytmic znym, dokonując rozkładu wielkości powierzchni w 20 klasach. Każdy histogram jest "normalizowany" pod względem największej (najliczniejszej) klasy. Stąd porównania histogramów różnych wytopów należy prowadzić w sposób ostrożny, opierając się na wartościach liczbowych podanych na osi Y. Ro zkłady ilości komórek Na w klasach ich powierzchni dla danej średnicy próbek są podobne, z tą różnicą, że wzrastająca zawartość boru w żeliwie powoduje przesunięcie klasy o największej ilości komórek ("piku") w kierunku mniejszej ich powierzchni.

5 Wpływ boru na krystalizację a) b) Rys. 2. Mikrostruktury żeliwa z wytopu l (a) i wytopu 4 (b) w zależności od średnicy 50, 25, lo mm; pow. 250x

6 ie UMI ge ;( (! a) r b) r l rh l l l fl h 1h <tu : < 16.4 l9 c ) ;g @ u 18,-.., 2.1 (h t u P ;. u u.e logi l Y,) LOG 18 m l,, o;? 1?. l o? d) 4.4 i B t :: X.?8., [l 2 ". J}llW l,. Jj_L. _t:: 9.8 i.filii l l ::: l.!. 1,< u u?.? Le : l log (X) 19 Rys. 3. Rozkład ilości komórek eutektycznych Na [1/mm 2 ] w klasach wielkości ich powierzchni [J.Lm 2 ]: a) wytop nr l -próbka 0 10, b) wytop nr 4- próbka 0 10, c) wytop nr l -próbka 0 50, d) wytop nr 4- próbka i s ::!.

7 Wpływ boru na krystaliza cję Również następuje zawężenie rozkładu (zmniejszenie maksymalnej powierzchni komórki) i wzrost ilości ziarn o małej powierzchni. Nieco odmienny przebieg rozkładu ilości komórek w klasach ich powierzchni występuje w próbkach o najmniejszej średnicy. Istnieją w tym przypadku dwa lokalne maksima - dla małych i dużych komórek. Wzrost stężenia boru w tych próbkach powoduje zmniejszenie komórek dużych (przesunięcie drugiego piku w kierunku mniejszej powierzchni). Literatura l. M.W. PRIDANCEW: Wpływ domieszek i pierwiastków ziem rzadkich na własności stopów. Śląsk, Katowice H. FUSHENG, W. CHAOCHANG: Mater. Sci. Techno!. 1989, 5, 9, R. BARCIK: Praca habilitacyjna. Bielsko-Biała l O. 4. United States Patent Nr Jan. 27, Praca własna Inst. Odlew. Pol. Śl. BW-730/RMT-3/92. Gliwice Summary BORON INFLUENCE ON CRYSTALLIZATION AND REFINEMENT OF STRUCTURE OF CHROMIUM CAST IRON Chromiurn cast iron containing about 12% Cr and 2% C was modified by means of boron at the amount ranging from 0.05 % to 0.83 %. The task of the modification was the refinement of structurediminishing of the size of grains (eutectic cells) and a more regułar arrangement o f the carbides. Registration of the process o f the chromiurn cast iron crystallization by means of the Crystaldigraph PC revealed a significant influence of boron on the course of the curve of crystallization. The computer analysis of the image bas confirmed the positive influence of boron on the structure of the chromiurn cast iron by diminishing the average area of the eutectic celi.