MIKROANALIZA RENTGENOWSKA STRUKTURY ŻELIWA MODYFIKOWANEGO BIZMUTEM I METALAMI ZIEM RZADKICH. Instytut Metalurgii Żelaza Gliwice, 2,3

Transkrypt

1 12/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN MIKROANALIZA RENTGENOWSKA STRUKTURY ŻELIWA MODYFIKOWANEGO BIZMUTEM I METALAMI ZIEM RZADKICH J. GAWOR 1, M..S. SOIŃSKI 2, T. WARCHALA 3, J. WIEDERMANN 4 1,4 Instytut Metalurgii Żelaza Gliwice, 2,3 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej STRESZCZENIE Mikroanaliza rentgenowska wykazała, że w strukturze żeliwa występują, poza wydzieleniami grafitu, trzy rodzaje wydzieleń: drobne cząsteczki składające się z tlenko-siarczków ceru i neodymu oraz fosforków żelaza, a także węglikoazotki tytanu i eutektyka fosforowa. Nie udało się stwierdzić obecności bizmutu. 1. WPROWADZENIE W celu uzyskania w żeliwie kulkowych wydzieleń grafitu należy wprowadzić do żeliwa wyjściowego (nie zawierającego pierwiastków przeciwdziałających sferoidyzacji i o odpowiednio niskiej zawartości siarki), charakteryzującego się dużą zdolnością do grafityzacji, odpowiedni sferoidyzator. Może to być magnez w ilościach 0,03 do 0,08%, cer 0,1 do 0,2% lub itr 0,15 do 0,20% [1]. Występowanie w żeliwie mniejszych ilości wymienionych pierwiastków, względnie także ich mniejszej ilości i desferoidyzatora (np. tytanu lub aluminium) oraz ewentualnie metali ziem rzadkich (MZR) prowadzi do krystalizacji grafitu wermikularnego [2]. W przypadku wprowadzenia do żeliwa nadeutektycznego mikrododatków bizmutu oraz pierwiastków z grupy metali ziem rzadkich następuje krystalizacja zwartych wydzieleń grafitu [3-6]. Uzyskuje się żeliwo z grafitem występującym w postaci izolowanych od siebie wydzieleń, o kształcie oznaczonym III, V i VI według 1 Mgr inż.; 2 Dr inż., soinsk@matinf.pcz.czest.pl; 3 Doc.dr inż. 4 Dr jwiederm@imz.gliwice.pl

2 104 normy PN-EN ISO 945:1994 ( Żeliwo. Określenie cech wydzieleń grafitu ). Korzystne zmiany postaci wydzieleń grafitu, przy całkowitej eliminacji grafitu płatkowego, prowadzą do istotnego podwyższenia właściwości mechanicznych [7, 8]. Obecność bizmutu i MZR w wysokokrzemowych żelazostopach powoduje ich silne oddziaływanie grafityzujące i przedłużenie efektów modyfikacji w czasie; pozwala także na skuteczna eliminację zabieleń w odlewach cienkościennych [9]. Oddziaływanie bizmutu i metali ziem rzadkich, głównie ceru, na żeliwo było przedmiotem szeregu prac, m.in. [10-12]. 2. BADANIA WŁASNE Przedmiotem badań było żeliwo ze zwartymi wydzieleniami grafitu [7], wytworzone poprzez obróbkę żeliwa wyjściowego zaprawami FeSiCaBi (o zaw. około 2% Bi) i FeSi-MZR (o zaw. około 18% Ce). Skład chemiczny żeliwa podano w tabeli 1, a strukturę stopu przedstawiono na rys. 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa Table 1. Chemical composition of the investigated cast iron Zawartość, % wag. C Mn Si P S Cr Ni Mo Al 3,71 0,087 2,84 0,04 0,01 0,02 0,02 <0,01 0,008 V Ti Sn Zn W Mg Ce La Bi <0,008 0,081 0,005 <0,003 <0,005 <0,01 0,04 0,02 0,0008 Rys. 1. Ferrytyczno-perlityczna osnowa żeliwa z wydzieleniami grafitu w postaci kulkowej i krętkowej. Mikrografia elektronowa skaningowa. Zgład trawiony nitalem, pow. 100x Fig. 1. The ferritic-pearlitic cast iron matrix containing nodular and vermicular graphite precipitates. SEM micrograph. Etchant: nital, magn. 100x

3 105 Celem badań było określenie za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej składu chemicznego wydzieleń występujących w strukturze tworzywa. Badania przeprowadzono na elektronowym mikroskopie skaningowym typu XL 30 firmy Philips, przy użyciu spektrometru systemu DX 4 -i firmy EDAX-Philips połączonego z mikroskopem. Osnowa żeliwa była w zasadzie ferrytyczna; udział perlitu nie przekraczał kilkunastu procent. W strukturze badanego żeliwa, prócz grafitu, występującego w postaci zwartych, odizolowanych od siebie wydzieleń (rys. 1) stwierdzono obecność trzech innego rodzaju wydzieleń (rys. 2 i 3). Są to: drobne cząstki o wymiarach rzędu 1 2 µm występujące w perlicie w postaci pojedynczych wydzieleń (ozn. cyfrą 1 na rys. 2)oraz w postaci skupisk (rys. 3); węglikoazotki tytanu o regularnej postaci i o wielkości rzędu około 5 µm (ozn. cyfrą 2 na rys. 2); stosunkowo duże nieregularne wydzielenia eutektyki fosforowej (ozn. cyfrą 3 na rys. 2). Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej poszczególnych rodzajów wydzieleń zestawiono w tabeli 2, a na rysunku 4 pokazano przykładowo widmo rentgenowskie jednego z drobnych wydzieleń uwidocznionych na rysunku 3. Należałoby dodać, że mikroanaliza przeprowadzona w osnowie żeliwa nie wykazała obecności ani ceru, ani bizmutu. Rys. 2. Ferrytyczno-perlityczna osnowa żeliwa z widocznymi trzema rodzajami wydzieleń. Mikrografia skaningowa elektronowa. Zgład trawiony nitalem, pow. 3000x Fig. 2. Three types of precipitates visible against the ferritic-pearlitic cast iron matrix. SEM micrograph. Etchant: nital, magn. 3000x

4 106 Rys. 3. Drobne wydzielenia występujące w perlicie. Mikrografia skaningowa elektronowa. Zgład trawiony nitalem, pow. 2000x Fig. 3. Tiny precipitates occurring in pearlite. SEM micrograph. Etchant: nital, magn. 2000x Energia, kev Rys. 4. Widmo rentgenowskie jednego z wydzieleń pokazanych na rysunku 3 Fig. 4. X-ray spectrum for one of the precipitates shown in Fig. 3

5 107 Tabela 2. Składy chemiczne wydzieleń występujących w badanym żeliwie Table 2. Chemical composition of precipitates occuring in the investigated cast iron Lp. Rodzaj wydzielenia Skład chemiczny, % cięż. (ozn. na rys.) Drobne, ozn. cyfrą 1 na rys. 2 Drobne, pokazane na rys. 3 (w perlicie) Węglikoazotki, ozn. cyfrą 2 na rys. 2 Eutektyka, ozn. cyfrą 3 na rys PODSUMOWANIE 0,25 4,81 0,49 0,84 10,08 0,84 36,59 10,96 35, ,48 4,35 1,36 1,17 11,28 2,69 34,21 14,98 29, , ,55 0,10 0, ,84 3,46 89,20 1,14-0, ,64 13,67-4,80-80, ,48 Przeprowadzona mikroanaliza rentgenowska struktury żeliwa modyfikowanego mikrododatkami bizmutu i metali ziem rzadkich wykazała, że pierwiastkli z grupy MZR występują w odrębnych, drobnych wydzieleniach w perlicie (pojedynczo i będąc w skupiskach). Zastosowaną metodą badawczą nie udało się stwierdzić obecności bizmutu, prawdopodobnie ze względu na bardzo małą jego ilość (około 8 ppm). Stwierdzono natomiast występowanie węglikoazotków tytanu i eutektyki fosforowej. Drobne wydzielenia zawierające cer i neodym składają się z tlenko-siarczków obu tych metali oraz fosforków żelaza. LITERATURA [1] A.P.Lubczenko: Wysokoprocznyje czuguny. Izd.Metallurgia, Moskwa [2] J.Riposan i in.: Achivements in the Production of Modifying Alloys and Vermicular/Compacted Graphite Cast Iron in Romania. 53 rd World Foundry Congress. Prague 7-17 September 1986, Paper No 24. [3] T.Warchala: Pozytywna rola bizmutu w technologii żeliwa z grafitem zwartym i kulkowym. Krzepnięcie Metali i Stopów 1995, z. 22, s

6 108 [4] T.Warchala: Efekty grafityzacji żeliwa podeutektycznego zarodkowanego modyfikatorami zawierającymi bizmut i cer. Materiały III Konferencji nt.: Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań-Kołobrzeg 1996, s [5] T.Warchala, M.S.Soiński: Charakterystyki wydzieleń grafitu w żeliwie modyfikowanym dodatkami bizmutu i metali ziem rzadkich. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 1998, vol. 18, nr spec., s [6] T.Warchala, M.S.Soiński: Zmiany wskaźnika kształtu grafitu żeliwa modyfikowanego niewielkimi dodatkami Bi i Ce. Acta Metallurgica Slovaca, t. 5, 1999, nr 2, s [7] T.Warchala, M.S.Soiński: Oddziaływanie mikrododatków Bi i Ce na właściwości mechaniczne żeliwa szarego. Krzepnięcie metali i stopów, 1999, r. 1, Nr 40, s [8] T.Warchala, M.S.Soiński: Guβeisen mit Kompakt-Graphitausscheidungen hergestellt durch Mikrozusätze aus SE-Metallen und Wismut. 64 th World Foundry Congress, Paris 2000, Paper No 61. [9] Ju.S.Lerner, Ju.I.Senkiewicz, Ja.V.Bulajewski: Grafitizirujuszczaja obrabotka czuguna s szarowidnym grafitom wismut soderżaszczymi modifikatorami. Lit. Proiz. 1988, nr 7, s. 5. [10] Ja.Bulajewski, L.Ja.Kozlow, E.B.Ten: Modifikator dla wysokoprocznogo czuguna, soderżaszczyj wismut i RZM. Lit.Proiz. 1991, nr 9, s [11] M.Hecht, A.Remy: Etude et controle des inoculants en laboratoire. Application au cas particulier de la fonte gs inocluee au moyen de FeSi75 content des mataux alcalino-terreux, des terres rares, du bismuth. Foderie Fond.d aujourd nr 91, s. 5. [12] F.Brechmann, M.Fessel, Ch.Ecob: Utersuchungen zum Einfluss von Vismut und Seltenerdmetallen im Impfmittel auf Gusseisen mit Kugelgraphit, speziell hinsichtlich des Magnesiumgehalts und der Guβstückoberfläche. Giesserei 1994, vol. 81, nr 24, s X-RAY MICROANALYSIS OF THE STRUCTURE OF CAST IRON MODIFIED WITH BISMUTH AND RARE-EARTH METALS SUMMARY X-ray microanalysis has revealed that, apart from graphite precipitates, three types of other precipitates occur in the cast iron structure: tiny particles containing cerium and neodymium oxysulfides along with iron phosphides, titanium carbonitrides, and phosphide eutectic. The presence of bismuth has not been confirmed. Reviewed by prof. Mieczysław Kaczorowski