IZOTERMICZNA OBRÓBKA CIEPLNA ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ZAKRESIE TEMPERATUROWYM Ar 1

Transkrypt

1 72/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN IZOTERMICZNA OBRÓBKA CIEPLNA ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ZAKRESIE TEMPERATUROWYM Ar 1 T. SZYKOWNY 1, K. CIECHACKI 2 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Sporządzono wykres CTPi żeliwa sferoidalnego perlityczno-ferrytycznego w zakresie przedziału temperaturowego Ar 1. Przedstawiono kinetykę i mechanizm przemiany eutektoidalnej. Key words: ductile cast iron, isothermal eutectoid transformation 1. WSTĘP Przemiana eutektoidalna w warunkach izotermicznych w niestopowym żeliwie sferoidalnym zachodzi według układu stabilnego i metastabilnego, przy czym przemiana γ α+grafit poprzedza przemianę γ perlit [1-4]. Udział poszczególnych produktów przemiany eutektoidalnej zależy od temperatury izotermy oraz skłonności żeliwa do grafityzacji. J. Piaskowski i A. Jankowski w monografii [5] opisują obróbkę cieplną żeliwa polegającą na izotermicznym wychładzaniu w zakresie przedziału temperaturowego Ar 1 dla uzyskania określonej zawartości produktów przemiany i austenitu. Hartowanie żeliwa z tego obszaru i następne odpuszczanie pozwala uzyskać żądany stosunek ilościowy ferrytu i sorbitu. Istnieje zatem możliwość kształtowania w ten sposób żądanych własności żeliwa. Należy wspomnieć, że obróbka taka w warunkach przemysłowych jest trudna, 1 dr inż. Tadeusz Szykowny, Tadeusz.Szykowny@atr.bydgoszcz.pl 2 dr inż. Krzysztof Ciechacki, Krzysztof.Ciechacki@atr.bydgoszcz.pl

2 gdyż wymaga precyzyjnego utrzymywania żądanej temperatury izotermicznego wychładzania. W niniejszej pracy przedstawiono mechanizm i kinetykę izotermicznej przemiany eutektoidalnej żeliwa o małej skłonności do grafityzacji w zakresie temperaturowym Ar 1, w oparciu o metodę metalograficzną. Dane kinetyczne, jak i znajomość składu strukturalnego w trakcie przemiany może stanowić podstawę projektowania opisanej wyżej obróbki cieplnej żeliwa. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto jeden gatunek niestopowego żeliwa sferoidalnego o następującym składzie chemicznym (% mas.): C-3,53; Si-2,81; Mn-1,17; P-0,11; S-0,015; Cr-0,01; Ti-0,02; Mg-0,08. Współczynnik izografityzacji K G " dla przemiany eutektoidalnej wynosi 8,71 natomiast wartość stopnia nasycenia eutektycznego Sc=1,04. Wartości temperatury krytycznej wyznaczone dylatometrycznie podczas ciągłego nagrzewania i chłodzenia z prędkością 2K/min wynoszą: Ac 11 = 795 C; Ac 12 = 862 C; Ar 11 = 774 C; Ar 12 = 685 C. Na podstawie próby rozciągania żeliwo zakwalifikowano do gatunku EN-GJS Żeliwo wytopiono w żeliwiaku o wyłożeniu kwaśnym z podgrzewanym dmuchem. Wsad składał się z surówki hematytowej i złomu obiegowego żeliwa sferoidalnego. Żeliwo odlano w postaci próbek klinowych YII (PN-92/H-83123). Z prostopadłościennej części klina wycięto krążki φ 20x3mm stanowiące próbki do badań. Próbki poddano obróbce cieplnej zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 1. Rys. 1. Schemat obróbki cieplnej żeliwa Fig. 1. The scheme of cast iron heat treatment 136

3 Wszystkie próbki podlegały ilościowej analizie metalograficznej metodą siatki punktów [6], pomiarom twardości HV30 i dyfrakcyjnym badaniom rentgenowskim. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Przemianę eutektoidalną w temperaturze wychładzania bliskiej Ar 11 rozpoczyna wykrystalizowanie nierównowagowej mieszaniny ferrytu i cementytu w obszarach granicznych ziaren eutektycznych (rys. 2a). Na skutek grafityzacji cementytu i nasycenia węglem ferrytu, ulega on przemianie w austenit. W trakcie wychładzania cementyt będący składową tej struktury grafityzuje i sferoidyzuje (rys. 2b). Przemiana ta została opisana w pracy [7]. Na podstawie ilościowej analizy metalograficznej sporządzono wykres zawartości ferrytu i perlitu w funkcji czasu izotermicznego wychładzania dla poszczególnych wartości temperatury wychładzania. Cechą charakterystyczną izotermicznej przemiany eutektoidalnej w żeliwie o małej skłonności do grafityzowania jest początkowe wystąpienie przemiany perlitycznej. W temperaturze bliskiej Ar 12 (740, 760 C) duża zawartość perlitu utrzymuje się w stosunkowo długim czasie (rys. 3). Na rysunku 4 przedstawiono ogólny stopień przemiany η, będący sumą zawartości objętościowej ferrytu i perlitu, jako funkcję czasu wychładzania. a) b) Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa hartowanego z temperatury 820 C po czasie wychładzania izotermicznego: a) 135 s, b) 975s; pow. 1000x, traw. nital Fig. 2. The microstructure of cast iron hardening from the temperature of 820 C, after cooling isothermal period: a) 135 s, b) 975s; magn. 1000x, nital etched 137

4 Rys. 3. Zależność zawartości ferrytu (F), perlitu (P) od czasu izotermicznego wychładzania w temperaturze tw: 820, 800, 780, 760, 740 o C. Fig. 3. The dependences of contents of ferrite (F) pearlite (P) contents on time of the isothermal cooling in the temperatures tw: 820, 800, 780, 760 and 740 C. 138

5 Rys.4. Zależność ogólnego stopnia przemiany η, od czasu izotermicznego wychładzania w temperaturze tw: 820, 800, 780, 760, 740 o C. Fig. 4. The dependences of general degree of transformation η, on the time of isothermal cooling in the temperatures tw: 820, 800, 780, 760 and 740 C. Na przebieg zależności ogólnego stopnia przemiany η, od czasu izotermicznego wychładzania w temperaturze 820, 800 i 780 C zaważyło opisane zjawisko przemiany wykrystalizowanego w pierwszej kolejności perlitu na mieszaninę cementytu kulkowego i austenitu. Aproksymacja krzywych przedstawiających postęp przemiany (rys. 4) równaniem Mehla-Johnsona-Avrami ego jest nieadekwatna dla przemiany zachodzącej w temperaturze bliskiej Ar 11 ( C). Bezpośrednią przyczyną niedopasowania zależności doświadczalnej z teoretyczną jest opisana wcześniej przemiana mieszaniny ferrytyczno-cementytowej w austenit z cementytem kulkowym, powodująca iż zależność ta w początkowym okresie wykazuje spadek lub okres długotrwałej stabilizacji. Twardość żeliwa w zależności od czasu wychładzania przedstawia rysunek

6 Rys. 5. Twardość żeliwa w zależności od czasu izotermicznego wychładzania Fig. 5. Cast iron hardness on the time of isothermal cooling Twardość żeliwa wychładzanego w temperaturze bliskiej Ar 11 w początkowym okresie wzrasta (rys. 5). Przyczyną wzrostu twardości jest przemiana początkowo wykrystalizowanego perlitu w mieszaninę austenitu z cementytem kulkowym oraz zmniejszanie się z upływem czasu wychładzania zawartości austenitu szczątkowego [8]. Następujący w trakcie dalszej przemiany spadek twardości żeliwa, wynika z ubożenia martenzytu w węgiel. Zmiany twardości żeliwa wychładzanego w temperaturze C są bezpośrednią konsekwencją ilościowego składu strukturalnego przedstawionego na rysunku 3. Na podstawie interpolowanych wartości wyników badań metalograficznych sporządzono wykres CTPi żeliwa (rys. 6). 140

7 Rys.6. Wykres CTPi żeliwa Fig. 6. The TTT diagram of cast iron Rys. 7. Mikrostruktura żeliwa wychładzanego w temperaturze 740 o C po 1830 s izotermicznego wychładzania, pow. 500x, traw. nital. Fig. 7. The microstructure of cast iron of isothermal cooling from the temperature 740 C after 1830 s of isothermal cooling, magn. 500x, nital etched. W wyniku krótkotrwałego (ok.0,5h) wychładzania izotermicznego żeliwa w temperaturze 740 C można otrzymać praktycznie perlityczną osnowę (rys. 7). Porównując wyniki badań izotermicznej przemiany eutektoidalnej w żeliwie o dużej skłonności do grafityzacji [7] z przedstawianymi badaniami, należy stwierdzić, iż zawartość perlitu i jego trwałość jest większa w przypadku żeliwa przyjętego do niniejszych badań. Wynika to ze stosunkowo dużej zawartości manganu (1,17% mas.) stabilizującego cementyt i obniżającego temperaturę przemiany eutektoidalnej. 141

8 Przedstawione wykresy strukturalne i kinetyczne mogą być przydatne w praktyce do prognozowania struktury a zatem własności żeliwa obrabianego cieplnie w zakresie międzykrytycznym. PODSUMOWANIE Otrzymane wyniki badań mogą być pomocne w projektowaniu izotermicznej obróbki cieplnej żeliwa w zakresie temperaturowym przemiany Ar 1, której celem jest otrzymanie zadanego stosunku ilościowego struktur. Izotermiczne wychładzanie żeliwa w czasie około 0,5 godziny tuż poniżej temperatury Ar 11 (740 C) pozwala uzyskać niemal w pełni perlityczną strukturę osnowy żeliwa o zawartości 1,4% ferrytu. LITERATURA [1] Bunin K.P., Taran J.N. Stroenie čuguna, Izd. Metallurgia, Moskva, (1972). [2] Okumoto Takeomi i in.: Improving the mechanical properties of pearlitic ductile iron by two-step normalizing, AFS Transactions, vol. 79, s. 473, (1971). [3] Podrzucki Cz.: Żeliwo, Tom I, Wyd. ZG STOP, Kraków, (1991). [4] Ikhlef A. i in.: Evolutions structurales de fontes G.S. au cours de diffėrents types de traitements thermiques, Hommes et Fonderies, nr 1, s. 9, (1982). [5] Piaskowski J., Jankowski A.: Żeliwo sferoidalne, Wyd. II WNT, Warszawa, (1974). [6] Ryś J.: Stereologia materiałów, Wyd. Fobit Design, Kraków, (1995). [7] Szykowny T.: Obraz izotermicznej przemiany eutektoidalnej w żeliwie sferoidalnym EN-GJS-500-7, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, nr 17, s. 303, (2005). [8] Szykowny T., Sadowski J.: Rentgenostrukturalne badania przemiany eutektoidalnej w żeliwie EN-GJS , Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, nr 17, s. 247,(2005). ISOTHERMAL HEAT TREATMENT OF SPHEROIDAL CAST IRON IN THE RANGE OF Ar 1 TEMPERATURE SUMMARY TTT diagram of pearlitic-ferritic cast iron was obtained by metallographic method in the Ar 1 temperature range. The kinetics and action of eutectoidal transformation were presented. Recenzował: prof. Stanisław Pietrowski. 142