WYBRANE ASPEKTY ZABIEGU WERMIKULARYZOWANIA ŻELIWA W FORMIE ODLEWNICZEJ

Transkrypt

1 88/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WYBRANE ASPEKTY ZABIEGU WERMIKULARYZOWANIA ŻELIWA W FORMIE ODLEWNICZEJ A. PYTEL 1, Z. STEFAŃSKI 2 Instytut Odlewnictwa, Kraków, ul. Zakopiańska 73 STRESZCZENIE Przedstawiono wstępne rezultaty badań zabiegu wermikularyzowania żeliwa zachodzącego w formie odlewniczej w komorach specjalnej konstrukcji przy równoczesnej filtracji i modyfikacji. Wykonano odlewy w formie wałków i schodków. Badano podstawowe właściwości żeliwa ferrytycznego i perlitycznego w aspekcie wpływu grubości ścianki na formę wydzieleń grafitu. Obserwowano proces pod względem uzysku magnezu i warunków ekologicznych. Keywords: cast iron with vermicular graphite, foundry mould, filters, inoculants 1. WPROWADZENIE Technologia otrzymywania żeliwa sferoidalnego w formie odlewniczej jest znana od dawna. Proces Inmold został opracowany w Wielkiej Brytanii po dokonaniu wynalazku w 1969 roku [1]. Od tego czasu proces obróbki żeliwa we wnęce formy był udoskonalany. Wprowadzono różne rozwiązania procesu sferoidyzacji i modyfikacji w formie (komory reakcyjne, wlewy główne, zbiorniki wlewowe) a także modyfikacji połączonej z filtracją. Szereg tych udoskonaleń opatentowano [2, 3] i były one związane z ekonomią procesu. Od tego czasu proces ten został wdrożony w wielu odlewniach znanych na całym świecie, np. Fiat, Ford, General Motors i inne. Obecnie w związku z rozwojem motoryzacji i zastosowaniem żeliwa z grafitem wermikularnym dla wielu części samochodowych, rozwijają się też procesy wermikularyzowania w formie, na przykład proces PQ-CGI InMold preferowany przez firmę NovaCast. Tematyka związana z otrzymywaniem żeliwa z grafitem 1 mgr inż. ahpyt@iod.krakow.pl 2 mgr inż. zstef@iod.krakow.pl 27

2 wermikularnym w formie odlewniczej jest obecnie też przedmiotem badań w Instytucie Odlewnictwa. 2. WYBRANY MATERIAŁ BADAWCZY Przedstawiono niektóre wyniki prób technologicznych, badań wytrzymałościowych i struktury odlewów testowych w postaci wałków o średnicy φ 26 x 220 mm i φ 50 x 220 mm oraz odlewów schodkowych o grubości ścianki schodka 12,5 mm, 25 mm i 50 mm (pozostałe wymiary 150x240mm), otrzymanych w wyniku wermikularyzowania żeliwa w formie odlewniczej. 3. DOBÓR MATERIAŁÓW DO WYKONANIA ZESTAWÓW WERMIKULARYZUJĄCO MODYFIKUJĄCYCH Na podstawie analizy dotychczasowych wyników doświadczeń uzyskanych podczas realizacji prac dotyczących modyfikacji [4, 5] i sferoidyzacji żeliwa w formie odlewniczej [1,2] oraz technologii związanych z otrzymywaniem żeliwa z grafitem wermikularnym [6-7], przyjęto i zrealizowano następujące założenia dotyczące planowanych badań: - do wytopu stosowano surówkę specjalną niskomanganową (90%) i złom stalowy, - do wermikularyzacji zastosowano zaprawę magnezową typu COMPACTMAG o składzie: 44-48% Si; 5-6% Mg; 1,8-2,3% Ca; max 1,0% Al; 5-7% RE, - do modyfikacji żeliwa w formie zastosowano modyfikator o składzie: Si=70-78%; Ca=0,3-1,5%; Al= 3,2-4,5%; miszmetal=0,5%. - do filtracji metalu wykorzystano filtry piankowe. 4. PRZYGOTOWANIE FORM DO WYKONANIA PRÓB Wykonano dwa rodzaje omodelowania dla komory wermikularyzującej różniące się szczegółami technicznymi z uwagi na różne kształty odlewów i różne ich masy. W celu przeprowadzenia prób technologicznych przyjęto następujące założenia dotyczące technologii formy: dla odlewania wałków próbnych o wymiarach Ø 26 x 220 mm oraz Ø 50 x 220 mm obliczono, że całkowita masa metalu w formie wyniesie około 23 kg ciekłego żeliwa. W formie testowej wykonywano po dwa odlewy w postaci kostek, które były zarazem zasilaczami przylanych do nich dwóch rodzajów wałków. Z wałków tych wykonano próbki do badań struktury oraz do badań właściwości mechanicznych żeliwa. Wcześniej wykonano oprzyrządowanie modelowe. Dla odlewania próby schodkowej o grubości ścianek 12,5mm; 25mm i 50 mm (pozostałe wymiary 150 x 240mm) założono całkowitą masę odlewu z układami wlewowymi 15 kg. Wykonano oprzyrządowanie modelowe zaprojektowane dla tego odlewu. W celu dobrego rozpuszczania się wermikularyzatora i modyfikatora w formie odlewniczej, przy obliczeniu poszczególnych elementów układu wlewowego uwzględniono założenie, że układ ten będzie układem zamkniętym, w takim przypadku 28

3 podczas zalewania formy układ wlewowy będzie przez cały czas zalewania formy w pełni wypełniony ciekłym metalem. 5. WYTOPY ŻELIWA WYJŚCIOWEGO Wytopy żeliwa wyjściowego przeprowadzono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości typu RADYNE w tyglu o wyłożeniu zasadowym mieszczącym 60 kg metalu. Wykonano szereg wytopów. W niniejszej pracy przedstawiono wybrane przykłady. Wsad każdego wytopu składał się ze specjalnej surówki niskokrzemowej i niskomanganowej w ilości 90% oraz złomu stalowego. Skład chemiczny żeliwa uzupełniano w razie potrzeby krzemem (FeSi), manganem (FeMn) i węglem (karburyt) tak aby żeliwo charakteryzowało się składem chemicznym odpowiadającym składowi nadeutektycznemu. Po roztopieniu metalu zalano przygotowane formy w których w odpowiednio skonstruowanym układzie wlewowym zachodziły procesy wermikularyzacji, modyfikacji i filtracji. Odlewano w formach odlewy wałków i odlewy schodkowe.w każdej zalanej formie z wałkami znajdowały się po 2 odlewy wałków o średnicy φ 26 mm i 1 wałek φ 50 mm, natomiast w innych formach odlewy schodkowe. Do wermikularyzacji żeliwa w formie i modyfikacji, stosowano zaprawę i modyfikator o składzie podanym wcześniej. W jednym przykładzie dla odlewu próby schodkowej dodawano do żeliwa antymon w celu zmiany struktury i obserwacji wydzieleń grafitu. Temperatura żeliwa wyjściowego w czasie prowadzenia zabiegu wermikularyzacji wynosiła około 1400 o C. Analizę składu chemicznego żeliwa wyjściowego i po zabiegu wermikularyzacji w formie wykonano metodą spektralną (w formie przewidziano specjalną wnękę z ochładzalnikiem połączoną z odlewem). Przykłady odlewów próbnych wałków i schodka przedstawiono na rysunku 1 i 2. Rys. 1. Odlewy testowe prętów Fig. 1. Cylindrical test castings Rys. 2. Odlew próby schodkowej Fig. 2. Stepped test casting 6. PRZEPROWADZONE BADANIA I ICH WYNIKI Badania materiału próbek odlanych w formie z zastosowaniem ochładzalnika i próbek wykonanych z wałków i ścianek schodków obejmują: 29

4 Analizę składu chemicznego metodą spektrometrii ze szczególnym uwzględnieniem zawartości krzemu i magnezu oraz antymonu w przypadku próby odlewania żeliwa perlitycznego (tabela 1). Tabela 1. Wyniki badania zawartości krzemu, magnezu i mikrostruktury w odlewach próbnych z żeliwa nadeutektycznego Table 1. Test results of the content of silicon, magnesium and microstructure of the experimental castings of hypereutectic cast iron Nr próbki Rodzaj odlewu Wymiar ścianki, mm 1 φ 26 Wałki 1.1 φ ,5 Schodek ,5 3.2 Schodek Zawartość Si przed modyfikacją % mas. Zawartość Si po modyfikacji w formie, % mas. Zawartość magnezu,% mas. 1,9 2,28 0,015 1,9 2,4 0,030 2,05 2, Grafit IIIA5(30%), VIA7 (70%) IIIA5(90%), VIA6(10%) III4(60%), VI6(30%), V6(10%) III4(80%), VI(10%), V6(10%) III4(90%), V6(10%) III5(60%), Zbliżony do VI5(40%) III5(60%), Zbliżony do VI5(40%) III5(70%), Zbliżony do VI5(30%) Mikrostruktura Osnowa P6, Pf1, C2, Cw2000 P6, Pf1 P6, Pf1 P20, Pf1 P20, Pf1 P92, Pf1 P85, Pf1 P96, Pf1 Obserwacje mikroskopowe (wydzielenia grafitu, oraz osnowy metalowej w strukturze) Badanie mikrostruktury osnowy przeprowadzono przez porównanie mikrostruktury próbek trawionych z wzorcami, zamieszczonymi w normie PN-75/H Obserwacje mikroskopowe zostały wykonane za pomocą mikroskopu metalograficznego NEOPHOT 32 na zgładach metalograficznych trawionych w odczynniku Mi 1 Fe wg PN-61/ Ocenę kształtu, wielkości wydzieleń i rozmieszczenia grafitu wykonano wg PN-EN ISO 945: Badania mikrostruktury zamieszczono w tabeli 1 oraz pokazano dla przykładu na rysunkach nr 3-4 (numer próbki 2.1 i 2.3). 30

5 Rys. 3. Mikrostruktura próbki ze schodka grubości 12,5 mm, zgład trawiony (IIIA4-60%) Fig. 3. Microstructure of a specimen from a 12.5 mm thick step, polished section etched, (IIIA4-60%). Rys. 4. Mikrostruktura próbki ze schodka grubości 50 mm, zgład trawiony, (IIIA4-90%) Fig. 4. Microstructure of a specimen from a 50 mm thick step, polished section etched, (IIIA4-90%). Właściwości mechaniczne (Rm, A 5, HB) Wymiary próbek do badań statycznej próby rozciągania są zgodne z tabelą (próbka o średnicy d=14 mm) normy PN-EN 1563 dla żeliwa sferoidalnego (próbki wytrzymałościowe ze ścianki grubości 12,5 mm miały średnicę φ 10 mm i długość 80 mm). Statystyczną próbę rozciągania wykonano w temperaturze 23 0 C zgodnie z normą PN-EN :2002. Twardość sposobem Brinella wykonano zgodnie z PN-EN ISO :2002. Wyniki przeprowadzonych badań zamieszczono w tabeli 2. Tabela 2. Badania wytrzymałości określone na próbkach wytoczonych z próby schodkowej Table 2. Mechanical tests determined on the specimens bored from the stepped test castings Oznaczenie Grubość Badania wytrzymałościowe żeliwa / wyniki średnie/ próbki ścianki R m R p0,2 A 5 Z HB odlewu, mm MPa MPa % % 1 φ , φ ,4 6, , ,0 2, ,9 5,45 2,9 156, ,4 5,1 2,8 159,7 7. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Przeprowadzono badania żeliwa otrzymanego w wyniku zabiegu wermikularyzowania w formie z użyciem zestawów wermikularyzująco - filtrujących i modyfikująco-filtrujących. Ustalono najkorzystniejszą ilość dodawanego wermikulazytora do komory reakcyjnej. Dla takiej ilości w wyniku przeprowadzonych prób otrzymano zawartość magnezu w odlewach próbnych od 0,015% do 0,03%. W mikrostrukturze próbek żeliwa oszacowano maksymalny udział grafitu wermikularnego od 30% do 70% w odlewie wałków φ 26 mm i %w odlewie wałków o 31

6 przekroju φ 50 mm. Pozostałą część uzupełniał grafit kulkowy. W mikrostrukturze osnowy metalowej zawartość perlitu wynosiła od P6 do P45. W próbkach z odlewów wałków o średnicy φ 26 mm występował cementyt. Próbki otrzymane z wałków o średnicy 50 mm nie wykazały śladów cementytu. Uzyskano wytrzymałość próbek na rozerwanie na poziomie 380 MPa, wydłużenie A 5 około 6% oraz twardość jednostek HB z wałków. Podobne wyniki uzyskano dla materiału z próby schodkowej. Istnieje zależność zwiększania się ilości grafitu sferoidalnego dla tych samych warunków w ściance odlewu w zależności od szybkości krzepnięcia. Pierwiastki perlityzujące powodują tendencje do zwiększania udziału grafitu sferoidalnego w odlewie kosztem wermikularnego dla tych samych warunków wermikularyzacji. Uzyskano pozytywne wyniki w zakresie przyswojenia magnezu i krzemu oraz poprawę warunków ekologicznych w czasie wytwarzania żeliwa. LITERATURA [1] Materials & Methods LTD. Produkcja żeliwa sferoidalnego. Instytut Odlewnictwa. Kraków [2] Y.S. Lerner, L.S. Aubrey, D. Craig, T. Margaria: In-Mould treatment processes in iron foundry practice. Foundry Trade Journal 2002, nr 12, s [3] Y.S. Lerner, L.S. Aubrey, D. Craig, T. Margaria: In-Mould treatment processes in iron foundry practice. Foundry Trade Journal. 2003, nr 1, s [4] A. Konieczny: Modyfikowanie żeliwa w formie odlewniczej z zastosowaniem systemu modyfikująco-filtrującego INFERR. Przegląd Odlewnictwa 2002, nr 7-8, s [5] M. Asłanowicz, A. Ościsłowski, J. Stachańczyk: Zestaw INFER. Ocena prób przemysłowych. Acta Metalurgica Slovaca. Kosice, 2/2002(2/2), s [6] E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa. Katowice [7] A.Pytel, K. Sękowski.: Struktura i własności wytrzymałościowe niskostopowego żeliwa wermikularnego. 7 th International Scientific Conference. Achivements in mechanical and materials engineering. Gliwice-Zakopane, 1998, s SELECTED ASPECTS OF IN-MOULD VERMICULARIZATION OF CAST IRON ABSTRACT The preliminary results concerning the investigations of the process of cast iron vermicularization, which takes place in a foundry mould in specially designed chambers with the simultaneous inoculation have been presented. Stepped or cylindrical castings have been made. A relationship between the basic properties of ferritic or pearlitic cast irons and the structure in terms of the wall thickness effect on the shape of the graphite precipitates has been tested. Recenzował: Prof. Edward Guzik 32