WPŁYW WARTOŚCI EKWIWALENTU NIKLOWEGO NA STRUKTURĘ ŻELIWA Ni-Mn-Cu

Transkrypt

1 109/18 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 WARTOŚCI EKWIWALENTU NIKLOWEGO NA STRUKTURĘ ŻELIWA Ni-Mn-Cu A. JANUS 1 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław, Polska STRESZCZENIE Na podstawie analizy struktur opracowano równanie ekwiwalentu niklowego dla odlewów wykonanych z żeliwa Ni-Mn-Cu zawierającego: 2,5 4,5% C; 1,5 3,0% Si; 2,0 8,0% Ni; 2,0 8,0% Mn i 0,1 5,0% Cu. Określono minimalną wartość ekwiwalentu, konieczną do uzyskania trwałej w temperaturze otoczenia austenitycznej struktury osnowy metalowej żeliwa w stanie po odlaniu. Key words: nickel equivalent, austenitic cast iron 1. WPROWADZENIE Uzyskanie w temperaturze otoczenia austenitycznej struktury osnowy metalowej żeliwa wymaga wprowadzenia do stopu odpowiedniej zawartości pierwiastków stabilizujących tę fazę. Takie pierwiastki jak nikiel, mangan, czy też miedź, hamując dyfuzję węgla, obniżają temperaturę przemiany eutektoidalnej [1]. Obniżają one również temperaturę początku przemiany martenzytycznej i pomimo tego, że zmniejszają równocześnie krytyczną szybkość hartowania, w sumie rozszerzają obszar występowania austenitu [2]. Występujący w temperaturze otoczenia austenit jest w większości przypadków trwały, ale nie jest stabilny termodynamicznie. Miarą stopnia jego trwałości może być wartość ekwiwalentu niklowego [3]: Ek Ni = Ni + Cu + 2 Mn (1) Ek Ni wartość ekwiwalentu niklowego [%], Ni, Cu, Mn zawartość poszczególnych pierwiastków w żeliwie [%]. Austenityczną, trwałą w temperaturze otoczenia osnowę metalową uzyskuje się wówczas, gdy wartość ekwiwalentu wynosi co najmniej 18% [3]. 1 dr inż., andrzej.janus@pwr.wroc.pl. 159

2 2. BADANIA WŁASNE W Zakładzie Odlewnictwa i Automatyzacji ITMiA Politechniki Wrocławskiej prowadzone są prace dotyczące austenitycznego żeliwa, które w wyniku wyżarzania zmienia strukturę osnowy z austenitycznej na bainityczną lub bainitycznomartenzytyczną. Przedmiotem badań jest żeliwo o minimalnej wartości ekwiwalentu niklowego, zapewniającej uzyskanie austenitycznej struktury osnowy w surowych odlewach, z możliwością jej zmiany na bainityczną w wyniku wyżarzania, podczas którego następuje obniżenie zawartości węgla w austenicie [4, 5]. Podczas badań stwierdzono, że austenityczną strukturę osnowy metalowej (odlewów o reprezentatywnej grubości ścianki wynoszącej 15 mm, wykonanych w formach skorupowych), można uzyskać przy znacznie mniejszej, bo wynoszącej tylko 12%, wartości ekwiwalentu niklowego. Ponadto w wielu przypadkach stwierdzano obecność bainitu w osnowie żeliwa o większej wartości ekwiwalentu niż w stopach o niższej wartości ekwiwalentu, wykazujących czysto austenityczną strukturę osnowy. Przykładem tego może być porównanie struktur żeliwa, które zgodnie z normą EN-PN 1560 można określić jako GJ-X310NiMnCu5-3-2, ze strukturą żeliwa GJ- X350MnNiCu Ekwiwalent pierwszego z tych stopów wynosi 13%. W strukturze jego osnowy występują igły bainitu (rys. 1). Wartość ekwiwalentu niklowego drugiego ze stopów jest o 1% mniejsza i wynosi 12%. Pomimo tego, austenit tworzący osnowę surowego odlewu nie wykazuje śladów rozpadu (rys. 2). Rys. 1. Austenityczno-bainityczna struktura żeliwa GJ-X350MnNiCu Ek Ni =12% (1). Traw. Mi1Fe Fig. 1. Austenitic-bainitic structure of GJ-X350 MnNiCu4-2-2 cast iron. Ek Ni =12% (1). Edched Mi1Fe Rys. 2. Austenityczna struktura żeliwa GJ-X310NiMnCu Ek Ni =13% (1). Traw. Mi1Fe Fig. 2. Austenitic structure of GJ-X280 MnNiCu4-3-2 cast iron. Ek Ni =13% (1), Edched Mi1Fe Przypadki rozbieżności występujących pomiędzy obliczoną wartością ekwiwalentu niklowego, a rzeczywistą strukturą badanych stopów były przyczyną opracowania nowego równania ekwiwalentu niklowego. 160

3 W tym celu grupę 60 badanych stopów o zmiennym składzie chemicznym (2,5 4,5% C; 1,5 3,0% Si; 2,0 8,0% Ni; 2,0 8,0% Mn i 0,1 5,0% Cu) podzielono na podstawie obserwacji mikroskopowych na dwie grupy. Do pierwszej grupy zaliczono stopy, w których nie stwierdzono rozpadu austenitu natomiast do drugiej grupy zakwalifikowano te, w strukturze których wystąpiły nawet pojedyncze igły bainitu. W rezultacie do pierwszej grupy zaliczono 35 stopów, natomiast do drugiej grupy pozostałe 25 stopów określonych jako żeliwo nieaustenityczne. Przyjęto, liniowy charakter poszukiwanego równania, które powinno spełniać następujące warunki: dla żeliwa austenitycznego a 1 C + a 2 Si + a 3 Ni + a 4 Mn + a 5 Cu + a 6 0 (2) dla żeliwa nieaustenitycznego a 1 C + a 2 Si + a 3 Ni + a 4 Mn + a 5 Cu + a 6 < 0 (3) Przeprowadzone obliczenia wykazały brak rozwiązania spełniającego obydwa warunki (2) i (3). Możliwe więc było albo poszukiwanie równania rozdzielającego wyższego rzędu albo rezygnacja z jednego z przedstawionych powyżej warunków. Ze względu na stosunkowo niewielką liczbę próbek oraz utylitarny charakter prowadzonych badań wybrano rozwiązanie polegające na zachowaniu liniowej postaci równania ekwiwalentu i rezygnacji z warunku (2). Przyjęto, że z technologicznego punktu widzenia najważniejsze jest nie tyle maksymalne obniżenie zawartości dodatków stopowych, co przede wszystkim uzyskanie pewności otrzymania austenitycznej struktury surowych odlewów. Ponadto, w celu umożliwienia porównania poszukiwanego równania z zależnością (1), przyjęto dla niklu wartość współczynnika a 3 = 1. Zadanie polegało więc na znalezieniu najlepszego równania spełniającego warunek (3), które nie pozwoli na zakwalifikowanie żeliwa nieaustenitycznego jako austenityczne. W rezultacie przeprowadzonych obliczeń uzyskano równanie w postaci: Ek Ni = -0,3 C - 0,4 Si + 3 Mn + Ni + 0,5 Cu + 0,1 (C+Si) Mn (4) Ek Ni - ekwiwalent niklowy [%], C, Si, Ni, Mn, Cu zawartość poszczególnych pierwiastków w żeliwie [%]. Z analizy równania (4) wynika, że pierwiastkiem najsilniej stabilizującym austenit jest mangan. Intensywność jego wpływu wzrasta nieznacznie wraz ze zwiększeniem zawartości pierwiastków grafityzujących (węgla i krzemu). Można to wyjaśnić ujemną wartością współczynnika rozdziału międzyfazowego manganu pomiędzy austenitem i cementytem. Prawdopodobnie zwiększenie sumarycznej zawartości pierwiastków grafityzujących, powodując zmniejszenie ilości cementytu pierwotnego, zwiększa udział manganu stabilizującego austenit. Nikiel i miedź zgodnie z oczekiwaniami są pierwiastkami stabilizującymi austenit. Ich oddziaływanie jest jednak odpowiednio trzyi sześciokrotnie słabsze od manganu. Ujemne wartości współczynników kierunkowych węgla i manganu świadczą o tym, że pierwiastki te ułatwiają proces rozpadu austenitu. Na rys. 3 i 4 przedstawiono strukturę dwóch stopów o podobnej zawartości dodatków 161

4 stopowych, różniące się jednak wyraźnie wartością współczynnika nasycenia eutektycznego S c. Rys. 3. Austenityczna struktura żeliwa GJ-X280MnNiCu Ek Ni =14% (4), S c =0,76. Traw. Mi1Fe Fig. 3. Austenitic structure of GJ-X280MnNiCu cast iron. Ek Ni =14% (4), S c =0,76. Edched Mi1Fe Rys. 4. Austenityczno-bainityczna struktura żeliwa GJ-X410MnNiCu4-3-2 Ek Ni =13% (4), S c =1,18. Traw. Mi1Fe. Fig. 4. Austenitic-bainitic structure of GJ-X410 MnNiCu4-3-2 cast iron. Ek Ni =13% (4), S c =1,18. Edched Mi1Fe. Podeutektyczne żeliwo GJ-X280MnNiCu4-3-2 zawierające 2,8% C i 1,4%Si (S c =0,76) wykazuje czysto austenityczną strukturę osnowy metalowej rys. 3. W osnowie nadeutektycznego żeliwa GJ-X410MnNiCu4-3-2, w którym zwiększono zawartość węgla do 4,1% i krzemu do 1,9% (S c =1,18) pojawiły się igły bainitu - rys. 4. Równanie (4) opracowano na podstawie analizy struktury wykonanych w formach skorupowych odlewów o grubości ścianki wynoszącej 15 mm. Z uwagi na to, że struktura żeliwa zależy również w istotnym stopniu od szybkości jego krzepnięcia i stygnięcia, dla grupy 20 stopów wykonano odlewy o reprezentatywnej grubości ścianki wynoszącej 25 mm oraz cienkościenne odlewy kokilowe wykonane w zimnej formie miedzianej. Wartość ekwiwalentu niklowego badanych stopów, obliczona według opracowanego równania (4), zmieniała się w zakresie 12 16%. Zmiana szybkości krystalizacji wpłynęła w istotny sposób na stopień grafityzacji żeliwa (wszystkie odlewy wykonane w miedzianej kokili wykazały zabielenie), nie spowodowała jednak widocznych zmian struktury osnowy metalowej stopów. Odlewy (bez względu na rodzaj formy) wykonane z żeliwa o wartości ekwiwalentu niklowego wynoszącej co najmniej 14%, wykazały czysto austenityczną strukturę osnowy metalowej rys. 5. W stopach o mniejszej wartości ekwiwalentu zmiana szybkości stygnięcia odlewów nie wpłynęła na stopień rozpadu austenitu rys

5 Rys. 5. Austenityczna struktura żeliwa GJ-X340MnNiCu Ek Ni =14% (4). a) odlew kokilowy, b) odlew grubościenny (25 mm). Traw. Mi1Fe Fig. 5. Austenitic structure of GJ-X340MnNiCu4-3-2 cast iron. Ek Ni =14% (4). a) chill casting, thick-walled casting (25 mm). Edched Mi1Fe Rys. 6. Austenityczno-bainityczna struktura żeliwa GJ-X330MnNiCu Ek Ni =13% (4). a) odlew kokilowy, b) odlew grubościenny (25 mm). Traw. Mi1Fe Fig. 6. Austenitic-bainitic structure of GJ-X330MnNiCu4-2-2 cast iron. Ek Ni =13% (4). a) chill casting, thick-walled casting (25 mm). Edched Mi1Fe Podsumowanie Równanie ekwiwalentu niklowego, opracowane w oparciu o analizę struktury osnowy metalowej grupy 60 surowych odlewów wykonanych z żeliwa Ni-Mn-Cu, wykazało inną intensywność wpływu poszczególnych dodatków stopowych (niklu, manganu i miedzi) na stabilizację austenitu niż wynika to ze znanego z literatury równania (1). Mangan trzykrotnie silniej stabilizuje austenit w porównaniu z niklem, przy czym wpływ ten nieznacznie wzrasta wraz ze zwiększeniem zawartości węgla i krzemu w żeliwie. Można to wyjaśnić zmniejszeniem ilości cementytu w strukturze stopów, a tym samym zwiększeniem zawartości manganu w austenicie. W stosunku do niklu miedź 163

6 dwukrotnie słabiej stabilizuje austenit. Jest to wpływ słabszy niż wynika to z równania (1). Inna jest również graniczna wartość ekwiwalentu niklowego, konieczna do uzyskania austenitycznej struktury surowych odlewów. Przeprowadzone badania wykazały, że gdy ekwiwalent jest obliczany zgodnie z równaniem (4) jego wartość, zapewniająca uzyskanie trwałego austenitu w temperaturze otoczenia, musi wynosić co najmniej 14%. W przeciwnym przypadku, w strukturze stopu pojawiają się igły bainitu. LITERATURA [1] Podrzucki Cz.; Żeliwo. Struktura właściwości zastosowanie; Wyd. ZG STOP, Kraków [2] Girszowicz N.G: Kristalizacija i svojstwa czuguna v otlivkach, Maszinostojenije, Moskwa - Leningrad, [3] Sy a de, von Eeghem Z.: 25-eme Congres Internaconale de Fonderie, Memoire nr 6, Bruxelles [4] Samsonowicz Z., Janus A.: Średnioniklowe żeliwo austenityczne typu Ni-Mn-Cu. Raporty Inst. Technol. Masz. Autom. PWroc Ser. SPR nr 29. [5] Janus A., Granat K.:Austenityczno-bainityczne żeliwo Ni-Mn-Cu odporne na zużycie ścierne, Raporty Inst. Technol. Masz. Autom. PWroc Ser. SPR nr 28. THE EFFECT OF NICKEL VALUE EQUIVALENT ON THE STRUCTURE OF Ni-Mn-Cu CAST IRON SUMMARY On the base of structures analysis the equation of nickel equivalent for castings made of Ni-Mn-Cr cast iron containing % C, % Si, % Ni, % Mn and % Cu was elaborated. The minimum value of this equivalent necessary for the obtainment of the stable austenitic structure of the rough castings at the ambient temperature was determined. Recenzował: Prof. Tadeusz Mikulczyński 164