WPŁYW WANADU NA KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY ŻELIWA

Transkrypt

1 93/18 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 WPŁYW WANADU NA KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY ŻELIWA M. KAWALEC 1, E. FRAŚ 2, Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, ul. Reymonta 23, STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury stopów Fe C V o zmiennej zawartości C w zakresie 1,5 4,33% i V w zakresie 13 7%. Szczególną uwagę zwrócono na stopy okołoeutektyczne. Powstająca w nich eutektyka zaliczana jest do grupy włóknistych eutektyk regularnych ścianowo nieścianowych. Obecność silnie węglikotwórczego wanadu jest przyczyną tworzenia się węglików wanadu typu VC 1-x. Key words: Fe-C-V alloys, eutectic, eutectic alloy, microstructure, cast iron. 1. WSTĘP Wanad jest pierwiastkiem silnie węglikotwórczym; wprowadzenie większych jego zawartości do żeliwa powoduje tworzenie się węglików typu VC 1-x, których trwałość termodynamiczna jest duża. Literatura dotycząca żeliwa wanadowego o wysokiej zawartości wanadu jest bardzo uboga. Jedyne dostępne informacje o strukturze tego materiału dotyczą stopu Fe 12,9%V 2,94%C, w którym stwierdzono występowanie włóknistej eutektyki regularnej γ + VC 1-x o udziale objętościowym węglika wanadu około 20% [1,2]. Głównym celem autorów jest uzyskanie nowego materiału na bazie eutektycznych i około eutektycznych stopów Fe-V-C oraz Fe-V-C-Si, rozpoznanie ich właściwości mechanicznych i trybologicznych. Przewiduje się, że wskutek mniejszego udziału węglików wanadu w eutektyce niż udziału węglików żelaza (około 0,50) w eutektyce cementytowej, stopy Fe-V-C przy zachowaniu dużej odporności na zużycie ścierne, 1 mgr inż.; kawalec@uci.agh.edu.pl 2 prof. zw. dr hab. inż.; edfras@uci.agh.edu.pl 57

2 powinny być łatwej obrabialne i wykazywać pewne właściwości plastyczne w stosunku, np. do żeliwa białego, szarego czy NIRESIST. W przypadku uzyskania przez nie korzystnych wskaźników trybologicznych i plastycznych przewiduje się ich zastosowanie jako odlewane elementy pracujące na zużycie cierne i abrazyjne, np. w młynach kulowych. W literaturze obserwuje się brak danych odnośnie właściwości mechanicznych i użytkowych żeliwa wanadowego o wysokiej zawartości wanadu. Aby zrealizować zamierzone cele konieczne jest wcześniejsze zapoznanie się z mikrostrukturą tych stopów. Rys. 1. Projekcja powierzchni likwidusa stopów Fe C V [4] Fig. 1. Projection of liquidus for Fe C V system [4] Głównym źródłem informacji odnośnie oddziaływania ze sobą składników stopu oraz o ich podziale między poszczególne fazy, tworzące dany układ są wykresy fazowe, których stopień trudności i koszt opracowania zwiększa się niewspółmiernie z ilością składników układu [3]. Istnieje kilka opracowań literaturowych opisujących układ równowagi fazowej Fe C V [4,5,6,7], jednak nie w pełni pokrywają się one z praktyką metalograficzną. Jeden z przykładów pokazuje rysunek 1. 58

3 2. METODYKA BADAŃ Aby wykonać założone badania metalograficzne, przeprowadzono serię wytopów o zmiennej zawartości C i V w piecu próżniowym typu Balzers w atmosferze argonu. Do wytopów użyto zaprawy Fe-V o zawartości wanadu 81,7%, żelaza armco oraz grafitu technicznie czystego. Formy wykonane z mączki molochitowej na szkle wodnym utwardzane CO 2, wygrzewano do temperatury 550 o C, a następnie zalewano ciekłym żeliwem w temperaturze 1550 o C. Po wybiciu z odlewu z formy, wycinano próbki do badań metalograficznych. Tabela 1. Skład chemiczny badanych próbek Tabele 1. Chemical ingredience of inwestigated species Numer Skład chemiczny, % próbki C V Uzyskana mikrostruktura/osnowa 7 1,82 15,0 nadeutektyczna / ferryt 13 1,5 15,0 nadeutektyczna / ferryt 14 1,6 15,0 nadeutektyczna / ferryt 2.1 1,55 13,0 eutektyczna / ferryt 2.2 2,0 13,0 nadeutektyczna / ferryt 3.1 1,5 11,0 okołoeutektyczna / ferryt 3.2 2,26 11,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy 3.3 1,8 11,0 nadeutektyczna / ferryt 4.1 1,5 9,0 podeutektyczna / perlit sferoidalny 4.2 2,82 9,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy 4.3 2,56 9,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy 4.4 2,26 9,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy 4.5 1,8 9,0 okołoeutektyczna / perlit sferoidalny 5.1 1,5 7,0 podeutektyczna / perlit sferoidalny 5.2 1,7 7,0 podeutektyczna / perlit płytkowy 5.3 1,95 7,0 podeutektyczna / perlit płytkowy 5.4 2,2 7,0 okołoeutektyczna / perlit płytkowy 5.5 3,3 7,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy / eutektyka złożona regularnie 5.6 2,82 7,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy 5.7 4,33 7,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy / eutektyka złożona regularnie 6.1 3,23 8,0 nadeutektyczna / perlit płytkowy 6.2 2,56 8,0 okołoeutektyczna / perlit płytkowy 7.1 3,3 7,5 nadeutektyczna / perlit płytkowy / eutektyka złożona regularnie Wypolerowane zgłady metalograficzne wytrawiono w celu ujawnienia osnowy i uwidocznienia węglików wanadu, a następnie przeprowadzono obserwację mikroskopową za pomocą mikroskopu optycznego. Próbki nietrawione obserwowano 59

4 również za pomocą mikroskopu skaningowego przy użyciu elektronów wtórnych. W celu zbadania struktury poszczególnych faz, próbki wytrawiono głęboko wodą królewską i obserwowano za pomocą mikroskopu skaningowego. W sumie przeprowadzono 23 wytopy o zmiennej zawartości C i V. W tabeli 1 zamieszczono zestawienie składu chemicznego poszczególnych wytopów oraz uzyskanej mikrostruktury. a) b) c) d) Rys. 2. Mikrostruktura próbek nietrawionych (BEC): (a) struktura nadeutektyczna; (b) struktura eutektyczna; (c) struktura lekko podeutektyczna, (d) struktura silnie podeutektyczna Fig. 2. Microstructure of the non-etched specimens (BEC): (a) hypereutectic structure; (b) eutectic structure; (c) slightly hypoeutectic structure, (d) strongly hypoeutectic structure 3. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Z przeprowadzonych badań wynika, że wprowadzanie do stopu zmiennej zawartości wanadu powoduje duże zmiany w mikrostrukturze. Za przykład może posłużyć seria wytopów o zawartości 1,5% C. Próbka nr 13, zawierająca 15%V posiadała mikrostrukturę nadeutektyczną z widocznymi węglikami pierwotnymi (rys. 2a). 60

5 Obniżenie tej zawartości do 13%V spowodowało, że próbka nr 2.1 uzyskała strukturę czysto eutektyczną w węglikami wanadu typu VC 1-x (rys. 2b). Dalsze obniżanie zawartości wanadu do 11%, 9% oraz do 7% (próbki nr 3.1, 4.1 oraz 5.1) spowodowało, że struktura zmieniła się na podeutektyczną (rys. 2c i 2d), w której przestrzenie międzydendrytyczne są wypełnione ziarnami eutektycznymi. a) b) 1 2 c) d) Rys. 3. Mikrostruktura próbek trawionych nitalem: (a) osnowa ferrytyczna; (b) z perlitem sferoidalnym; (c) z perlitem płytkowym; (d) eutektyka złożona regularnie oraz węgliki wanadu w postaci dendrytów Fig. 3. Microstructure of the nital etched specimens: (a) ferritic matrix; (b) spheroidal pearlite matrix; (c) lamellar pearlite matrix; (d) complex regular eutectic and vanadium carbides in the form of dendrites Zmiana zawartości wanadu wpłynęła również na osnowę otrzymanego żeliwa. Dokonując porównania w zakresie tej samej serii wytopów stwierdzono, że do zawartości 11%V, wystąpiła osnowa ferrytyczna (rys. 3a), natomiast poniżej 11%V prócz ferrytu pojawia się także perlit ziarnisty (rys. 3b). Przeprowadzona seria wytopów przy zawartości wanadu 9%, pokazała że wraz ze wzrostem zawartości węgla od 1,5% do 2,82% struktura zmieniła się od 61

6 podeutektycznej (próbka nr 4.1) poprzez okołoeutektyczną (próbka nr 4.5) aż do nadeutektycznej (próbki nr 4.2, 4.3, 4.4). Osnowa w próbkach o obniżonej do 9% zawartości wanadu również uległa zmianie. W próbkach o strukturze podeutektycznej i okołoeutektycznej pojawił się perlit sferoidalny, natomiast po przekroczeniu 2%C, a więc w próbkach nadeutektycznych, perlit płytkowy (rys. 3c). a) b) c) d) Rys. 4. Mikrostruktura próbek trawionych wodą królewską (SEM): (a), (b) ziarna eutektyczne; (b) ziarno eutektyczne; (c) węgliki pierwotne; (d) węgliki wanadu w postaci dendrytów Fig. 4. Microstructure of the aqua regia etched specimens (SEM): (a) eutectic grains; (b) eutectic grain; (c) primary carbides; (d) vanadium carbides in the form of dendrites Identyczna sytuacja wystąpiła przy wytopach o zawartości 7%V, z tą różnicą, że struktura okołoeutektyczna pojawiła się dopiero przy zawartości 2,2%C. Perlit sferoidalny w tym przypadku pojawił się tylko w próbce nr 5.1 (1,5%C), natomiast w pozostałych osnowa miała postać perlitu płytkowego. W tej serii wytopów przy wyższych zawartościach węgla (pow. 3%) zaczęła pojawiać się eutektyka złożona regularnie (zaznaczona strzałką 1 na rysunku 3d), natomiast węgliki wanadu przybrały postać dendrytów (oznaczone strzałką 2 na rysunku 3d). 62

7 Głębokie trawienie wodą królewską, a następnie obserwacja pod mikroskopem skaningowym umożliwiło zbadanie mikrostruktury poszczególnych ziaren eutektycznych (rys. 4a i 4b), jak również węglików pierwotnych (rys. 4c) oraz węglików wanadu krystalizujących w postaci dendrytów (rys. 4d). 4. PODSUMOWANIE W stopach Fe-C-V zmieniając nawet w niewielkim stopniu zawartość C i V można w istotny sposób wpłynąć na ich mikrostrukturę. Na podstawie przeprowadzonych wytopów można stwierdzić, że w zakresie pomiędzy 1,5, a 2,5%C przy zawartości 15%V nie znaleziono eutektyki wanadowej, natomiast zmniejszanie wanadu od 13 do 7% przesuwa eutektykę w coraz wyższe zawartości węgla (do 2,5%). Wysokim zawartościom wanadu towarzyszy osnowa ferrytyczna, która z obniżaniem zawartości wanadu i zwiększaniem węgla przechodzi w perlit sferoidalny, a następnie perlit płytkowy. Zbyt niska zawartość wanadu przy wysokiej zawartości węgla powoduje, że zaczyna się pojawiać ziarna eutektyki złożonej regularnie. Węgliki wanadu krystalizują w takim przypadku w postaci dendrytycznej. LITERATURA [1] E. Fraś, E. Guzik: Pierwotna mikrostruktura stopów Fe C V. Archiwum Hutnictwa, tom 25, zeszyt 4, [2] E. Fraś: Krystalizacja metali. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa [3] J. Kaczyński, S. Prowans: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. Katowice 1972 [4] R.Kesri, M. Durand Charre: Metallurgical structure and phase diagram of Fe-C-V system: comparison with other systems forming MC carbides. Materials Science and Technology, August 1988, vol.4 [5] M.J. Collins: Fe-V-C phase diagram. Journal of the Iron and Steel Institute, 1972, 210, s. 284 [6] Dmitrieva G. P., Shurin A. K., Vasilev A. D.: Mechanicostructural properties of iron alloys with vanadium carbide. Metal Science and Heat treatment of Metals, 4, 1978, s [7] Frey H., Holleck H.: DTA investigations of high temperature phase equilibria in ternary transition metal-carbon system. Thermal Analysis Proceedings of the International Conference, vol.1, 1975, s Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy nr 3 T08B

8 VANADIUM INFLUENCE ON THE FORMATION OF CAST IRON STRUCTURE SUMMARY This article presents results of investigations of microstructure the Fe-C-V alloys with different carbon and vanadium content ranges from 1,5 to 4,33 % of C and 13 to 7% of V. Attention was paid to near-eutectic alloys in particular. Arising eutectic is rated as fiber regular eutectic of faced-nonfaced group. Presence of strongly carbide formation vanadium is the reason to create of vanadium carbides of the VC 1-x type. Recenzował: Prof. Edward Guzik 64