22/12 Solidiłication of Metais :md Alloys, No 22, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 22/12 Soidiłication of Metais :md Aoys, No 22, 1995 Krzepniecie Metai i Stopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN POZYTYWNA ROLA BIZMUTU W TECHNOLOGII ŻELIWA Z GRAFITEMZWAR TYM I KULKOWYM W AR C HALA TADEUSZ Katedra Odewnictwa, Poitechnika Częstochowska Częstochowa, A. Armii Krajowej 19, POLAND ABSTRAKT W pracy przedstawiono wyniki badań żeiwa nadeutektycznego, modyfikowanego mieszankązawierającą m.in. bizmut i metae ziem rzadkich (około 22% Ce). Stwierdzono zmianę postaci grafitu z płatkowego na wermikuamy (zwarty) i kukowy. Maała wiekość i iość wydzieeń grafitu. Nastąpił kikakrotny wzrost Rm (z około 80 MPa do 500 MPa) oraz dwukrotny wzrost HB (ze 100 do 250 jednostek). Sam dodatek metai ziem rzadkich nie powodował znaczących zmian badanych cech żeiwa wyjściowego.. WPROW ADZENIE W technoogii ż eiwa sferoidanego śadowe iości ołowiu (>0,002%), bizmutu (>0,00 %), antymonu (>0,002%) czy tytanu (>0,05%) są wysoce szkodiwe i muszą być neutraizowane dodatkiem ceru [1). Według [2], śadowe iości bizmutu wpływają m.in. na radykane obniżenie udziału grafitu kukowego, powodując jednocześnie pojawienie się dużej iości drobnego grafitu płatkowego. Z drugiej jednak strony znane są również fakty pozytywnego wpływu niewiekich dodatków Bi w modyfikatorze grafityzującym na zwiększenie iości wydzieeń grafitu kukowego w żeiwie sferoidyzowanym magnezem [3). Stwierdza się również wydłużenie czasu trwania efektów modyfikacji [3), [4). Pozytywne spojrzenie na wspomniane pierwiastki śadowe widać w pubikacjach dotyczących technoogii żeiwa wermikuamego. W pracy [5] wymienia się sposoby wytwarzania żeiwa z grafitem wermikuarnym drogą wprowadzania sferoidyzatora (magnez) oraz cesferoidyzatorów (Ti, A, Sn, Sb, Bi, Zn). Z cytowanej iteratury wynika, że odpowiednio wprowadzone do żeiwa bizmut i cer izoują grafit od roztworu ciekłego, gdzie zazwyczaj tworzą się zdegenerowane jego postacie (z płatkowym włącznie) oraz stwarzają warunki sprzyjające heterogenicznemu zarodkowaniu grafitu w dłuższym okresie czasu (wydłużenie czasu trwania efektów modyfikacji). Można by zatem przypuszczać, że przy wprowadzeniu stosownych iości obu pierwiastków istnieje szan-

2 10 1 sa krystaizacji zwartych postaci grafitu. Innym uogónieniem, rodzącym s i ę na podstawie anaizy przytoczonych pubikacji, może być stwierdzenie, że efekty w s p ó łdziałań pierwiastków o przeciwnych kierunkach wpływu na zarodkowanie i wzrost grafitu (np. w sp ółdziałan ie sferoidyzatorów i desferoidyzatorów) mogą być bardziej i n te res ując e i cenne od ich wpływów prostych. Na tym te sformułowano hipotezę roboczą, że Bi, jeden z najsiniejszych desferoidyzatorów, wprowadzony do żeiwa wraz z pierwiastkami metai ziem rzadkich (główni e z Ce) utrudnia krystaizację grafitu płatkowego na rzecz grafitu wennikuamego i kukowego [6]. 2. BADANTA WŁASNE 2.1. Warunki i przebieg badań Żeiwo wyjściowe (CE=4,1-4,4% przy S<0,02%) wytapiano w piecu indukcyjnym średniej częstotiwości, o pojemności tyga 50 kg Wsad stanowiła surówka przeróbcza gatunku P, złom staowy i Si75. Przegrzane do temperatury 1470 C żeiwo modyfikowano mieszanką dwóch że azostopów, z których jeden zawierał około % B i, a drugi MZR (w tym około 22% Ce) Modyfikatory wprowadzono metodą Imconod. Całość badań zreaizowano metodą panowania doświadczeń, w oparciu o anaizę czynnikową (stosowano pan typu 2"2) [7]. Jako zmienne niezaeżne (czynniki) przyjęto: X - rozchód modyfikatora z B i - poziom niższy= 0,3%, poziom wyższy= 0,6%, X2 - rozchód modyfikatora z Ce - poziom niższy= 0,0%, poziom wyższy= O, 16%. Czynniki stałe: -masa modyfikowanego żeiwa- O kg (dozowanie objętościowe), - wiekość ziarna modyfikatora- 2-5 mm, -temperatura przegrzania ± 20 C. Odewano następujące próby: - po jednym próbniku A TO- O, - po 3 wewki próbne 0 30mm x 300mm, -próbki na skład chemiczny. Prócz ujętych panem odano po dwa kompety prób z żeiwa modyfikowanego tyko dodatkiem 16 g żeazostopu z Ce oraz po kika kompetów prób że iwa wyj śc iowego. Badano następujące parametry: - temperatury krzepnięcia (ATO), - właściwości mechaniczne: Rm i HBS, -charakterystyki grafitu: u dział (G w%), wie kość (Gw w 11m), iość (N w szt/mm 2 ), po s t ać (Gt), rozmieszczenie (Gr) oraz ud z i a ł ferrytu (Fe w %). Badania iościow e grafitu i ferrytu wykonano przy pomocy mikroskopu iczącego MAGISCAN. Wytrzy małość na rozciągan ie badano maszyną wytrzymałościową typu ZWICK 1488, sterowaną komputerowo Wyniki badań Rezutaty A TO oraz Rm i HBS przepstawiono w Tabei. Symbo T p oznacza maksymaną temperaturę początkowa żeiwa, zarejestrowaną przez aparaturę Crystadigraph PC/XT. Uwagi zawierają informacje o stanie żeiwa odanego do próbnika ATD-10. Zauważa się

3 102 minimane przechłodzenie przemiany eutektycznej w stosunku do warunków równowagowych. Cechy grafitu oraz udział ferrytu zawarto w Tabei 2. Wyniki badań opracowano zgodnie z procedurami metody panowania doświadczeń czynnikowych. Efektem tego są adekwatne modee matematyczne parametrów iościowych, uwzgędn iające tyko istotne współczynniki regresji (poziom istotności a=0,05). Nie stwier- Tabea W fyi_ ik.atd oraz Rm HBs Numer T p TSM TS Rm HBS Uwagi próby o c o c o c MPa jedn. o modyfikacji g Bi i O g Ce.,., żeiwo wyjściowe g Bi i 16 g Ce g Bi i 16 g Ce żeiwo wyjściowe gB i i O g Ce gB i i O g Ce żeiwo wyjściowe gBi i6gce g Bi i 16 g Ce żeiwo wyjściowe gBi i OgCe OgBi i 6gCe OgBi i 16 gce Probk1 porowate. Tabea 2 Charakterystyki grafitu i osnowy Numer Udział Wieikoś Iość Postać Rozmiesz- Udział Uwagi próby % J..( m mm 2 czente ferrytu,% o modyfikacji ,3 245, Gf11Gf2 Gr2 1,2 30 g Bi i 16 g Ce 202 t Gf2 Gr6 58,8 żeiwo wyjściowe 203 8,4 61,4 874 Gf81Gf5 Gr2 85,0 60 g Bi i 16 g Ce 204 6,9 57,7 944 Gf81Gf5 Gr2 80,0 30 g Bi i 16 g Ce 205 8,5 143, Gf11Gf2 Gr2 77,0 żeiwo wyjściowe 206 9,6 143, Gf2 Gr2 76,8 60gB i i O g Ce ,1 278, Gf2 Gr2 49,7 30 gbi i O gce ,3 210, Gf11Gf2 Gr11Gr2 69,7 żeiwo wyjściowe 209 7,4 49, Gf81Gf5 Gr 86,0 60g8ii16gCe 210 8,6 57, Gf7/Gf5 Gr1 82,7 30 g Bi i 16 g Ce 211 9,9 204, Gf21Gf3 Gr1 68,5 że iwo wyjściowe ,7 172, Gf11Gf2 Gr 80,1 60 gbi i O gce 213 9,7 127, Gf11Gf4 Gr! 74,3 O g Bi i 16 gce 214 8,8 112, Gf21Gf Gr! 70 9 O g Bi i 16g Ce Duża Iość bardzo drobnego grafitu, trudna do pohczema przy stosowanym powtększemu.

4 dzono istotności wpływu badanych czynników na temperatury TSM oraz TS. Modee pozostałych parametrów przedstawiają się następująco (postać zakodowana): 103 T p = 1285,2- O, 12x, + 17, 12x,xz G = 9,47-1,675xz Gw = 135,4-74,45xz N "' , 0x :~ Fe = 67,67 1-4,27x, +- 15,73x 2-12,73x 1 x 2 R 111 = 296,2 + 21,35x, + 199,5xz HBS = 183,O i 57,25x 2 (S 2 y=39,96; ób;=8,12) (S\=0,927; ób;=270,35) (S 2 y=866,88; ób;=43,49) (S 2 y=49154,83; ób;=270,35) (S 2 y=55,73; ób;=9,10) (S\=146,29; ób;=4,25) (S\ =216,31 ; ób;=7,34) () (2) (3) (4) (5) (6) (7) Zmiany Tp są naturanym skutkiem m.in.strat c i epła przez żeiwo podczas rozpuszczania modyfikatorów. Siniejszy akcent czynnika X 1 wynika z konieczności stosowania większych jego porcj i ni ż modyfikatora drugiego (czynnik X 2 ). Ud z iał grafitu oraz wiekości i iości jego wydzieeń, w obecności bizmutu maeją z rozchodem modyfikatora zawierającego cer. Jest to naturany skutek zmian postaci i rozmieszczenia grafitu: grafit zwarty odznacza się mniejszymi wymiarami niż grafit płatkowy oraz mniejszą iością wydzieeń obserwowanych na zgładzie próbki. Są to zatem oczywiste prawidłowości, znajdujące odbicie w modeach (2), (3) i (4). Badania udziału ferrytu świadczą, iż osnowa wytworzonego żeiwa była peritycznoferrytyczna. Udział ferrytu (5) wzrastał z dodatkiem obu składników (Bi i Ce) użytych modyfikatorów z poziomu 40% do ponad 80%. Radykane zmiany charakterystyk grafitu zaowocowały bardzo korzystnymi cechami wytrzytrzmałościowymi żeiwa: Rm (6) i HBS (7). Wprawdzie w większości modei nie stwierdzono istotności wpływu dodatku bizmutu (czynniki X,), tym niemniej naeży zdawać sobie sprawę z faktu, iż ten pierwiastek wprowadzano w każdej próbie (30 g ub 60 g - zaeżnie od panu doświadczeń), za wyjątkiem żeiwa wyjściowego. Że jego obecność była nieodzowna świadczą próby, w których dodawano tyko modyfikator zawierający MZR (próby 213 i 214). Nie imponują one poziomem badanych cech żeiwa, podobnie jak w przypadku wprowadzania tyko modyfikatora z bizmutem (próby 201, 206, 207 i 212). Zmiany te, w porównaniu z żeiwem wyjściowym, uwypuka Rysunek. Liczby wzdłuż inii odniesienia (100%) podają wartości bezwzgędne poszczegónych parametrów. Obszary kropkowane oznaczają żeiwo modyfikowane dodatkami Bi i MZR (Ce), nie kropkowane- modyfikowane tyko dodatkiem MZR ( Ce). Linia pozioma na wysokości 00% odpowiada cechom żeiwa wyjściowego. W zakończeniu wypada dodać, że okoicznością sprzyjającą była mała zawartość siarki (poniżej 0,02%), nie wymagająca odsiarczania żeiwa Podsumowanie i wnioski końcowe Badania potwierdziły hipotezę roboczą, zakładającą, że dodatek bizmutu, wprowadzony do żeiwa wraz z metaami ziem rzadkich (głównie z Ce) utrudnia krystaizację grafitu

5 %L c=j >= 620~ ~, " 220,..-- o., Q) c:: "' 4>' -O) N i:!: ;... c:: 0:1 -e N r--- ~- - R= ~ 9,6 185, r K7 8F- 60,6 9 f-- Ił 19 68,7 83, _r modyfikacja 20 o - B i + MZR MZR G, % G w, J.m N,1/mm 2 Fe,% Rm, MPa HBS Cechy ż e iwa Rys.. Zmiany wzgędne cech badanego żeiwa Fig.!. Reative changes in the features o f the cast iron examined

6 105 płatkowego, sprzyjając wydzieaniu się grafitu zwartego i kukowego. Porównanie z żeiwem wyjściowym ujawnia obrzymie różnice iościowo-jakościowe w stukturze, co też uzewnętrzniło się we właściwościach mechanicznych żeiwa. Wszystko to spowodowały minimane iości obu pierwiastków. Przyjmując, że 60 g żeazostopu z Bi wprowadzało (nominanie) 0,6 g B i do 0000 g żeiwa, to nawet przy stuprocentowym uzysku można było oczekiwać w nim tyko 0,006% B i. Jest to iość z obszaru śadowego, powodująca normanie desferoidyzację grafitu. Anaogiczny rachunek da maksymanej dawki modyfikatora z cerem daje 3,52 g Ce w g żeiwa, tzn. 0,0352 % Ce. Iość ta nie jest mała, ae tyko nominanie, gdyż także nie uwzgędnia rzeczywistego uzysku pierwiastka, bardzo aktywnego chemicznie. Każdy z omawianych pierwiastków, wprowadzony samodzienie, nie powodował znaczących zmian w strukturze tak, jak czyniło to dopiero ich wspóne działanie w mieszance. Podsumowując można stwierdzić, że jednoczesny dodatek niewiekich iości bizmutu i cen1 do żeiwa szarego poza piecem powoduje: - zmianę postaci grafitu z płatkowej na zwaratą i k'ukową, - zmniejszenie udziału grafitu w strukturze, - zmniejszenie wiekości i iości wydzieeń grafitu, - kikukrotny wzrost wytrzymałości na rozciąganie, - umiarkowany wzrost twardości Brinea. LITERATURA (I] Praca zbiorowa: Wysokokaczestwiennyje czuguny da otiwok. Maszgiz, Moskwa [2] I.Riposan, I.Craciun: Wirkung von Bei und Wismut auf die Magnesiumbehandung von Gupeisen in der Pfane und in der GiePform. Giesserei-Praxis 1980, nr 8 s [3] F. Lietaert i in.: Deveopment of more Powerfu fnocuants for Spheroida Graphite rons. 49th Internationa Foundry Congress. Chicago Apri 14-17, 1982, Paper No 12. [4] J.W. Buajewskij i in.: Marifikator da wysokoprocznogo czuguna, soderżaszczyj wismut i RZM. Lit. Proizw. 1991, nr 9, s.8-9. [S]. Riposan i in.: Achivements in the Production of Modyfmg Aoys and Vermicuar/Compacted Graphite Cast Iron in Romania. 53rd Word Foundry Congress. Prague 7-17 Semptembre 1986, Paper No 24. (6] T Warchata i in.: Sprawozdanie K0-2/94. Katedra Odewnictwa, Poitechnika Częstochowska, Częstochowa 1994 (praca nie pubikowana). 7J F.S. Nowik, J.B. Arsow: Optimizacija procesow tiechnołogii mietałow metodami panirowanija eksperimentow. Maszinostrojenije Moskwa POSITIVE ROLE OF BISMUTH IN TECHNOLOGY OF CAST IRON WITH COMPACT AND NODULAR GRAPHIT In this paper, resuts o f the studies o f hypereutectoid cast iron as modified with a mixture containing, among other eements, bismuth and rare eaiths metais have been presented. A change in form of fake graphite into vermicuar and noduar graphite has been found. A rise Rrn by severa times (from 80 MPa to 500 MPa) and in HB by over two times (from 100 to 250 units) has been noted. The addition of rare earths metais aone did not zause any significant changes in the studied features ofthe initia cast iron.