EFEKTY WYŻARZANIA SFEROIDYZUJĄCEGO ŻELIWA PO HARTOWANIU Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ. M. TREPCZYŃSKA-ŁENT 1 Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz

Transkrypt

1 24/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN EFEKTY WYŻARZANIA SFEROIDYZUJĄCEGO ŻELIWA PO HARTOWANIU Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ M. TREPCZYŃSKA-ŁENT 1 Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki wyżarzania sferoidyzującego czterech gatunków niestopowego żeliwa sferoidalnego oraz miedziowego żeliwa sferoidalnego. Żeliwo, które po odlaniu było zabielone bądź perlityczne, poddano hartowaniu z przemianą izotermiczną wg dwóch wariantów obróbki cieplnej. Wykonano ilościową analizę met a- lograficzną oraz oceniono równomierność rozmieszczenia kulek cementytu w osnowie ferrytu. Key words: ductile iron, austempering, spheroidizing annealing, distribution of glob u- lar cementite 1. WSTĘP Materiały konstrukcyjne powinny często charakteryzować się wysoką wytrzymałością na rozciąganie i wysoką plastycznością, przy zachowaniu dobrej obrabialności skrawaniem. Takie wymagania spełnia struktura cementytu kulkowego w osnowie fe r- rytu. Zapewnia ona najmniejszą twardość i optymalną podatność do odkształceń plastycznych, jak również najlepszą skrawalność. Bardzo istotny jest dobór składu chemicznego, ponieważ pierwiastki węglikotwórcze oraz stabilizujące perlit w osnowie (takie jak mangan i miedź) mogą znacząco sprzyjać powstawaniu omawianej struktury. Z kolei na wyniki obróbki cieplnej w znaczący sposób wpływa mikrosegregacja. Wykazano [1,2], że niektóre pierwiastki mają odmienną mikrosegregację w strukturze szarej i białej. Fakt ten mógłby być istotnym przyczynkiem do kształtowania struktury, która w stanie surowym byłaby zabielona. 1 dr inż., trema@atr.bydgoszcz.pl 199

2 Celem przedstawionych badań było zaobserwowanie jaki wpływ na równomierność rozmieszczonych kulek cementytu ma osnowa żeliwa sferoidalnego, po d- dana przed wyżarzaniem sferoidyzującym hartowaniu z przemianą izotermiczną. Stwierdzono bowiem [3,4], że struktura bainitu lub ausferrytu składająca się zwykle z rozgałęzionych płytek ferrytu i wysokowęglowego austenitu sprzyja oczekiwanym rezultatom. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Skład chemiczny, stopień nasycenia eutektycznego Sc oraz równoważnik węglowy grafityzacji Kgr żeliwa poddanego badaniom przedstawia tabela 1. Tabela 1. Skład chemiczny, stopień nasycenia eutektycznego S c oraz równoważnik węglowy grafityzacji K gr (eutektyczny) i K gr (eutektoidalny) Table 1. Chemical composition, eutectic saturation ratio S c and graphitization constants K gr K gr of ductile iron L.p Składnik Numer żeliwa chemiczny, % ) 5 2) 6 2) 1 C 3,34 3,19 3,12 3,91 3,42 3,35 2 Si 2,13 2,56 2,68 1,79 2,32 2,45 3 Mn 0,45 1,07 1,07 0,27 0,32 0,54 4 P 0,059 0,086 0,093 0,025 0,090 0,090 5 S 0,010 0,014 0,013 0,008 0,006 0,009 6 Cr 0,047 0,070 0,071 0,053 0,100 0,100 7 Ni 0,172 0,060 0,061 0,029 0,100 0,100 8 Cu 0,128 0,069 0,072 0,006 1,270 2,100 9 Mg 0,046 0,035 0,048 0,043 0,060 0, S c 0,93 0,92 0,91 1,06 0,97 0,96 11 K gr 5,98 6,71 6,61 5,53 6,91 6,28 12 K gr 6,20 6,97 7,15 6,55 3,90 1,88 1) - żeliwo po sferoidyzacji lecz niemodyfikowane, 2) - żeliwo miedziowe Wlewki z żeliwa 1, 2, 3 i 4 odlano w formach piaskowych, wilgotnych w formie klinów. Były one odlewane pionowo. Mała grubość wlewków u dołu (5 mm) i duża u góry (80 mm) zapewniały zróżnicowaną szybkość chłodzenia i otrzymanie zabielenia w dolnej części klinów. Wlewki z żeliwa 5 i 6 odlano do form piaskowych, wilgotnych w formie płyt klinowych. Odlewane były również pionowo, lecz wymiary poprzeczne płyty nie zapewniały otrzymania zabielenia. Celem wprowadzenia żeliwa miedziowego było bowiem jedynie otrzymanie odwrotnej segregacji miedzi, co ma miejsce w układzie stabilnym a nie w metastabilnym. 200

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. PROGRAM I METODYKA BADAŃ Obróbkę cieplną żeliwa mającą na celu sferoidyzację cementytu przeprowadzono według schematu przedstawionego na rysunku 1. T, o C I wariant z piecem 1 w kąpieli solnej W powietrzu 2 W powietrzu t, h T, o C II wariant, podwariant IIa - 950/2h podwariant Ilb -1050/4h w kąpieli solnej W powietrzu W powietrzu W powietrzu Rys.1. Schemat obróbki cieplnej badanego żeliwa Fig. 1. Diagrams of heat treatment variants W drugim wariancie, w porównaniu do wariantu pierwszego, rozdzielono operacje wyżarzania grafityzującego i hartowania z przemianą izotermiczną. Normalizowanie przeprowadzone w pierwszej operacji miało na celu rozdrobnienie ziarna a przez to skrócenie czasu dyfuzji. Hartowanie z przemianą izotermiczną przeprowadzone z niższej temperatury (870 o C) miało zmniejszyć zawartość węgla w austenicie. t, h 201

4 4. WYNIKI BADAŃ STRUKTURALNYCH W tabeli 2 przedstawiono procentową zawartość składników strukturalnych żeliwa po przeprowadzonej obróbce cieplnej. 202 Tabela.2. Zestawienie procentowej zawartości składników strukturalnych badanego żeliwa po obróbce cieplnej według wariantów I i II Table 2. Statement of percentage contents of structural contituents the ductile iron after spheroidizing annealing in successive variants of heat treatment L.p Wariant Czas sferoidyzacji, h Grafit, % Grafit wtórny, % Ferryt, % Ferryt z cementytem kulkowym,% Cementyt eutektyczny, % ŻELIWO ,6 0,5 78,5 21,5 0,0 3 I 12 10,8 0,5 93,0 7,0 0, ,9 0,5 100,0 0,0 0, ,5 0,6 76,9 23,1 0,0 6 IIa 12 10,4 0,8 80,4 19,6 0, ,9 0,5 76,4 23,6 0,0 8 IIb 12 10,7 0,4 76,7 23,3 0, ŻELIWO ,2 1,6 0,0 100,0 0,0 10 I 12 9,6 0,6 14,6 85,4 0, ,2 0,8 18,8 81,2 0, ,2 0,6 0,0 100,0 0,0 13 IIb 12 8,7 1,1 1,1 98,9 0, ,6 0,4 24,0 76,0 0,0 ŻELIWO ,8 0,8 6,2 93,8 0,0 16 I 12 9,5 0,2 9,5 90,5 0, ,1 2,1 56,7 43,3 0, ,9 0,5 0,0 99,1 0,9 19 IIa 12 8,8 1,3 56,7 43,0 0, ,7 0,5 69,8 29,9 0, ,7 0,9 0,6 99,4 0,0 22 IIb 12 8,9 0,7 4,0 96,0 0, ,8 0,4 29,3 70,6 0,0 ŻELIWO ,2 0,3 13,0 87,0 0,0 25 I 12 13,0 0,3 100,0 0,0 0, ,1 0,2 100,0 0,0 0, ,8 0,4 28,2 71,8 0,0 28 IIb 12 13,1 0,2 100,0 0,0 0,0

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA ,9 0,4 99,0 1,0 0,0 ŻELIWO ,2 0,4 0,0 100,0 0,0 31 I 12 9,5 1,1 2,9 97,1 0, ,0 1,4 82,1 18,0 0, ,0 0,6 0,1 99,9 0,0 34 IIa 12 8,6 2,0 1,1 98,9 0, ,0 3,5 91,8 8,1 0, ,9 0,7 0,0 100,0 0,0 37 IIb 12 9,3 1,3 6,4 93,6 0, ,6 3,8 84,9 15,1 0,0 ŻELIWO ,1 2,2 0,0 100,0 0,0 40 I 12 7,0 3,3 0,0 100,0 0, ,3 3,1 92,8 7,2 0, ,8 0,5 0,0 100,0 0,0 43 IIa 12 8,5 1,8 0,1 99,9 0, ,9 3,5 95,7 4,3 0, ,9 1,4 0,0 100,0 0,0 46 IIb 12 8,2 2,9 74,6 25,4 0, ,1 2,3 98,5 1,5 0,0 5. BADANIA RÓWNOMIERNOŚCI ROZMIESZCZENIA CEMENTYTU KULKOWEGO W OSNOWIE FERRYTU Do oceny równomierności rozmieszczenia kulek cementytu wykorzystano metodę przedstawioną w pracy [5]. Odwzorowano przebieg zmian zawartości cementytu kulkowego występujących w całym ziarnie eutektycznym - od centrum do granicy ziarna. Wykonano pomiary p o- wierzchni i liczby wydzieleń cementytu kulkowego. Odnosząc liczbę wydzieleń ceme n- tytu do parametrów stereologicznych, odpowiadała ona liczności względnej przekrojów cząstek cementytu N A [6]. Jest to zatem liczba cząstek płaskich na 1mm 2 powierzchni zgładu. Za miarę równomierności rozmieszczenia cementytu kulkowego w osnowie ferrytu na całym obszarze ziarna, przyjęto parametr będący ilorazem liczności względnej cementytu kulkowego na granicy ziarna eutektycznego do liczności względnej tuż przy graficie: 1 N A WRR (1) 2 N A gdzie: WRR - wskaźnik równomierności rozmieszczenia cementytu kulkowego, N A 1 - liczność względna cementytu kulkowego na granicy ziarna eutektycznego, N A 2 - liczność względna cementytu kulkowego przy graficie, przy czym: 203

6 N n N Ai 2 i1 j1 A 2n n N A j, 1/mm 2 (2) gdzie: N Ai - liczność względna cementytu kulkowego przy graficie, mierzona na jednym końcu odcinka pomiarowego, N Aj - liczność względna cementytu kulkowego przy graficie, mierzona na drugim końcu odcinka pomiarowego, n - liczba pomiarów. Im bardziej wartość wskaźnika zbliżona jest do jedności, tym równomierniej rozmieszczony jest cementyt kulkowy w osnowie ferrytu. Przyjęto, że granica ziarna eutektycznego występuje w tym punkcie, w którym uśredniona wartość liczności względnej jest największa. Dlatego wartość maksymalną liczności względnej podst a- wiano do powyższego wzoru jako N A 1. Określono także wskaźnik równomierności dla powierzchni cementytu kulkowego WRP. Został on obliczony w oparciu o wzór: WRP P1 P2 (3) gdzie: WRP - wskaźnik równomierności powierzchni cementytu kulkowego, P 1 - powierzchnia cementytu kulkowego na granicy ziarna eutektycznego jako % powierzchni pomiarowej, P 2 - powierzchnia cementytu kulkowego przy graficie jako % powierzchni pomiarowej, przy czym: P 2 n i1 P i 2n n j1 P j, % (4) gdzie: P i - powierzchnia cementytu kulkowego przy graficie, mierzona na jednym końcu odcinka pomiarowego jako % powierzchni pomiarowej, P j - powierzchnia cementytu kulkowego przy graficie, mierzona na drugim końcu odcinka pomiarowego jako % powierzchni pomiarowej, n - liczba prawidłowych pomiarów. 204

7 Żeliwo czas, h ARCHIWUM ODLEWNICTWA Tabela 3 przedstawia liczność względną kulek cementytu N A 1 i N A 2, procent powierzchni zajmowanej przez te kulki P 1 i P 2 oraz wskaźniki WRR i WRP. Tabela 3. Table 3. L.p Zestawienie wartości liczności względnej N 1 A i N 2 A, powierzchni P 1 i P 2, oraz wskaźników WRR i WRP w zależności od gatunku żeliwa sferoidalnego, wariantu obróbki cieplnej i czasu wyżarzania sferoidyzującego Statement of the values N 1 A and N 2 A, surfaces P 1, P 2, and indexes WRR, WRP allonding to grades of cast iron, variants of heat treatment and times of spheroidizing wariant 1 N A 1/mm 2 2 N A, 1/mm 2 WRR P 1, % P 2, % WRP I ,42 8,50 2,34 3,64 2 IIb ,89 7,65 3,90 1, IIb ,66 8,38 3,33 2, IIb ,00 2,65 0,78 3, I ,01 6,68 1,14 5, I ,54 6,30 2,34 2,69 7 IIb ,51 5,03 2,37 2, I ,81 11,29 2,24 5,03 9 IIb ,32 15,26 1,98 7, I ,98 7,87 2,82 2, I ,75 2,98 1,23 2,42 Badanie równomierności rozmieszczenia cementytu kulkowego w ferrycie przeprowadzono w żeliwie niestopowym jedynie dla obszarów pierwotnie zabielonych, bowiem w obszarach niezabielonych, z uwagi na znaczną ferrytyzację, określenie wskaźników traci sens matematyczny. Z tabeli 3 wynika, że najkorzystniejsze wskaźniki równomierności rozmieszczenia cementytu uzyskano dla żeliwa 2. Wartości wskaźników miały najmniejsze wartości po obróbce według wariantu IIb/700 o C-6h oraz po obróbce wg wariantu I/700 o C-24 h. Na rysunku 2 przykładowo przedstawiono rozkład rozmieszczenia cementytu kulkowego w ferrycie dla wariantu IIb/700 o C-6h. 205

8 P, % Dobre wartości wskaźników otrzymano także dla żeliwa miedziowego 6 po obró b- ce wg wariantu I/700 o C-12h oraz dla żeliwa niestopowego 3 obrabianego wg wariantu IIb/700 o C-12h. N A, 1/mm Żeliwo 2: IIb/700-6h y = x x R 2 = 0, y = -0,311x 2 + 2,5669x + 1,52 N A R 2 = 0, P 5 Rys.2. Fig odcinek pomiarowy Rozkład liczności względnej i powierzchni cementytu kulkowego na odcinku pomiarowym dla żeliwa 2 po obróbce cieplnej według wariantu IIb Distribution of the values N A and P the spheroidal cementite in ductile cast iron 2 after the heat treatment according to variant IIb 0 6. PODSUMOWANIE W przypadku zabielonego żeliwa niestopowego, zaproponowane warianty obróbki cieplnej są nieprzydatne dla żeliwa 2 i 4. W tych gatunkach obszary zabielone ulegały szybkiej ferrytyzacji, co jest uzasadnione niską zawartością manganu (0,27% i 0,45% odpowiednio) jako pierwiastka utrudniającego ferrytyzację. W przypadku żeliwa 2 i 3 zawartość manganu 1,07% (stabilizującego cementyt) w połączeniu z zabieleniem osnowy, sprzyjała otrzymaniu dużej zawartości ferrytu z cementytem kulkowym. Istotna jest zapewne także zawartość pierwiastków sprzyjających rozpadowi cementytu węgla i krzemu. Cztery wymienione powyżej warianty obróbki cieplnej charakteryzuje wysoka temperatura wyżarzania grafityzującego o C. Wynika z tego, że skuteczniej usuwa ona wpływ mikrosegregacji pierwiastków w osnowie. Dzięki czemu uzyskuje się większą równomierność rozmieszczenia kulek cementytu w ferrycie. Należy zwrócić uwagę, że czasy wyżarzania sferoidyzującego poza pierws zym przypadkiem są długie i wynoszą 12 i 24h. Te długie czasy wyżarzania powodują jednak zmniejszenie ilości kulek cementytu przypadających na 1 mm 2 powierzchni osnowy żeliwa (N A ). Po wszystkich wariantach obróbki cieplnej w strukturze badanego żeliwa wys tępuje grafit wtórny w ilości od 0,2% do 3,8%. Często tworzy on skupiska. Dla żeliwa mie- 206

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA dziowego 5 i 6 grafit wtórny występował także w strukturze po hartowaniu z przemianą izotermiczną. Wariant IIa w proponowanej obróbce cieplnej okazał się całkowicie niezadowalający. Na podstawie otrzymanych wyników trudno stwierdzić, który z zaprezentowanych wariantów obróbki cieplnej jest korzystniejszy: I czy IIb. Najlepsze wartości wskaźn i- ków WRR i WRP otrzymano dla wariantu IIb jednak tylko dla jednego gatunku żeliwa. Pomimo, że otrzymane wyniki obróbki cieplnej są interesujące, należy uwzględnić także czynnik ekonomiczny. Z pewnością przedstawione w pracy warianty obróbki należą do energo- i czasochłonnych. A w przełożeniu do zastosowań przemysłowych nie mogą być zalecane. LITERATURA [1] Podrzucki Cz.: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. Wydawnictwo ZG STOP, Kraków (1991) [2] Śifrin V.D., Solncev L.A.: Mokrolikvcija kremija v magnijevych vysokoproćnych ćugunach, otlitych v kokil`. Izvestija Vysśych Ućebnych Zavedenij. Ćernaja Metallurgija, nr 2, s.58-61(1993) [3] Oleszycki H., Dymski S. i inni: Sprawozdanie: Opracowanie racjonalnych warunków obróbki cieplnej żeliwa i staliwa sferoidalnego, ATR, Bydgoszcz (1979). [4] Oleszycki H.: Wyżarzanie żeliwa sferoidalnego w celu uzyskania cementytu kulkowego. Przegląd Odlewnictwa, nr 4, s (1973) [5] Trepczyńska-Łent M.: Badanie równomierności rozmieszczenia cementytu ku l- kowego w osnowie ferrytu w żeliwie sferoidalnym. II Ogólnopolska Konferencja Naukowa Problemy Jakości..., Kraków (16-18 września 1999) [6] Ryś J.: Stereologia materiałów, Wydawnictwo Fotobit Design (1995) 207

10 EFFECTS OF SPHEROIDIZING ANNEALING OF THE DUCTILE IRON AFTER AUSTEMPERING SUMMARY In the paper results of six grade ductile iron are presented. Four ductile iron were characterized by the different degree of the hard spots and too by contents of cooper. Too variants of heat treatment were used. In the research the method of the metallographic quantitative analysis and the picture analysis were carried out. The aim of work was uniformity distribution of globular cementite on the ferrite matrix. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 208