WPŁYW TEMPERATURY NA WŁACIWOCI MECHANICZNE SFEROIDALNEGO ELIWA AUSTENITYCZNEGO O ZAWARTOCI 20% NIKLU

Transkrypt

1 36/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW TEMPERATURY NA WŁACIWOCI MECHANICZNE SFEROIDALNEGO ELIWA AUSTENITYCZNEGO O ZAWARTOCI 20% NIKLU A. TABOR 1, K. ZARBSKI 2, P. PUTYRA 3 Politechnika Krakowska, Instytut Inynierii Materiałowej al. Jana Pawła II 37, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki statycznej próby rozcigania oraz z bada udarnoci austenitycznego eliwa sferoidalnego o zawartoci 20% niklu. Właciwoci mechaniczne obejmujce: wytrzymało na rozciganie, umown granic plastycznoci, przewenie, wydłuenie oraz udarno okrelono w szerokim zakresie temperatury od 196 C do 650 C. Dodatkowo zamieszczono fotografie struktury analizowanego materiału jak równie fotografie przełomów ze statycznej próby rozcigania. Key words: austenitic nodular cast iron, tensile strength, elongation, hardness 1. WPROWADZENIE eliwo sferoidalne jest jednym z najczciej stosowanych tworzyw odlewniczych, a zakres jego stosowania poszerza wprowadzenie w jego skład pierwiastków stopowych. Wszechstronne zastosowanie austenitycznego eliwa wysokoniklowego wynika z jego specyficznych właciwoci chemicznych i fizycznych. eliwo to charakteryzuje si znaczn odpornoci na korozj chemiczn oraz gazow, przy równoczesnej wysokiej odpornoci na działanie zarówno wysokiej jak i niskiej temperatury. Sferoidyzacja grafitu podnosi odporno eliwa austenitycznego w rodowiskach korozyjnych, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich właciwoci 1 dr in., atabor@mech.pk.edu.pl 2 mgr in., kazar@mech.pk.edu.pl 3 mgr in., putp@poczta.onet.pl

2 wytrzymałociowych w szerokim zakresie temperatury. Du odporno korozyjn eliwa austenitycznego sferoidalnego uzyskuje si nie tylko dziki korzystnej postaci grafitu, lecz równie w wyniku zmniejszenia zawartoci wtrce niemetalicznych podczas sferoidyzowania, a wic dziki zmniejszeniu moliwoci tworzenia si mikroogniw intensyfikujcych niszczenie odlewów [1-5, 8]. Wysokoniklowe, kwasoodporne eliwo austenityczne znajduje równie szerokie zastosowanie ze wzgldu na dobr aroodporno. eliwo nie zawierajce chromu wykazuje wystarczajc odporno na korozj w utleniajcych orodkach gazowych do 700 C i jest stosowane na czci aparatury chemicznej [3]. Zastosowanie austenitycznego eliwa sferoidalnego w konstrukcjach eksploatowanych w niskiej temperaturze jest nieodzowne w przypadkach wykonywania odlewów o skomplikowanych kształtach, wymagajcych trudnej i kosztownej obróbki mechanicznej. W technice niskich temperatur eliwo moe by pełnowartociowym tworzywem konstrukcyjnym, a w wielu przypadkach materiałem trudnym do zastpienia przez stal [3,6,7,9]. Celem prezentowanej w artykule pracy było okrelenie wpływu temperatury na właciwoci wytrzymałociowe i plastyczne austenitycznego eliwa sferoidalnego o zawartoci 20% niklu. Zakres bada obejmował wyznaczenie wytrzymałoci na rozciganie (R m ), granicy plastycznoci (R p0,2 ), wydłuenia (A 5 ), przewenia (Z) i udarnoci (KCV) w zakresie temperatury od (-196 C) do 650 C. 2. BADANIA WŁASNE Badaniu poddano austenityczne eliwo sferoidalne o nastpujcym składzie chemicznym: 2,8%C; 2,9%Si; 4,1%Mn; 0,035%P; 0,02%S; 0,13%Mg; 20%Ni. Materiał ten róni si od austenitycznych eliw oznaczonych w normie PN-EN 13835:2002 jako XNi22 oraz XNiMn23-4, nisz zawartoci niklu jak równie podwyszon zawartoci wgla i krzemu. Osnow eliwa stanowi austenit, w którym zaobserwowano znaczn gsto dyslokacji oraz nieliczne mikrobli niaki odkształcenia. Materiał odznaczał si ziarnami o stosunkowo duych rozmiarach, w nielicznych obszarach obserwowano tworzenie si podziarn. Cechy wydziele grafitu okrelono na podstawie normy PN-EN ISO 945 jako VIA6 (20%) oraz VA6 (80%). W nielicznych obszarach zaobserwowano wydzielenia duych wglików M 3 C bd w bezporednim ssiedztwie grafitu, bd wystpujcych samodzielnie w osnowie austenitycznej, nie stwierdzono natomiast obecnoci drobnodyspersyjnych wglików. Mikrostruktur badanego eliwa z dobrze widocznymi wydzieleniami grafitu sferoidalnego oraz z wydłuonymi podziarnami zamieszczono na rys. 1. Badanie mikrostruktury grafitu przeprowadzono zgodnie z norm PN-EN ISO 945 przez porównanie mikrostruktury próbek nie trawionych z wzorcami. Badanie mikrostruktury osnowy przeprowadzono przez porównanie mikrostruktury próbek trawionych z wzorcami, zamieszczonymi w normie PN-75/H Obserwacje i zdjcia mikrostruktury zostały wykonane za pomoc mikroskopu metalograficznego Neophot 32 na zgładach metalograficznych, przygotowanych zgodnie z instrukcj nr 328

3 KBM/001 i trawionych w odczynniku Mi15Fe według wytycznych zawartych w normie PN-61/ Badania mikrostruktury eliwa wykonano za pomoc transmisyjnej mikroskopii elektronowej, analiz prowadzono na cienkich foliach po cienianiu jonowym przy uyciu mikroskopu elektronowego JEM 200CX firmy JEOL. 500x Rys. 1. Mikrostruktura badanego eliwa (pow. 500x) Fig. 1. Microstructures of the examined cast iron (500x) x KCV150 [J/cm 2 ] Temperatura łamania [ o C] Rys. 2. Wpływ temperatury na udarno badanego eliwa Fig. 2. Temperature influence on the impact strength of the examined cast iron Odporno na pkanie okrelano na podstawie wyników prób udarnoci próbek z karbem V, wykonywanych na młocie udarowym Charpy ego typ 1H539 firmy A. B. ALPHA o energii pocztkowej 150J. Próby przeprowadzono zgodnie z norm PN-EN , złamano po dwie próbki w temperaturze: +200 C; +100 C; +20 C; 0 C; (-20 C); (-40 C); (-60 C) i (-196 C). Próbki udarnociowe o wymiarach 10mm x 10mm wykonano zgodnie z norm PN-EN 1563:2000. Na rys. 2 przedstawiono zwizek pomidzy udarnoci austenitycznego eliwa sferoidalnego a temperatur. Statyczn prób rozcigania przeprowadzono zgodnie z norm EN :1991, EN :2001. Próbki proporcjonalne, piciokrotne, okrgłe o rednicy Ø=5mm, 329

4 z czci chwytow gwintowan wykonane zostały zgodnie z norm EN-1563:2000. Próby przeprowadzono na maszynie wytrzymałociowej EU 20, przy nastawie siłomierza 0-20kN w temperaturze: 650 C; 400 C; +200 C; +20 C; (-20 C); (-40 C); (-60 C) i (-196 C). Wykonano po 3 próby dla kadego poziomu temperatury. Wyniki bada przedstawiono w tabeli 1 oraz w formie graficznej. Wpływ temperatury na właciwoci wytrzymałociowe eliwa o zawartoci 20%Ni ukazano na rys. 3. Zaleno przewenia Z oraz wydłuenia A 5 przedstawiono na rys. 4. Tabela 1. Wyniki z prób rozcigania eliwa o zawartoci 20%Ni Table 1. Results of tensile testing of cast iron with 20%Ni Temp. próby [ C] R p0,2 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Z [%] R p0,2 [Mpa]; R m [MPa] Temperatura próby [ o C] eliw o (20%Ni) Rm eliw o (20%Ni) Rp0,2 Rys. 3. Wpływ temperatury na R m i R p0,2 badanego eliwa Fig. 3. Temperature influence on the TS and YS of the examined cast iron 330

5 A 5 [%]; Z [%] 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 eliwo (20%Ni) A5 eliwo (20%Ni) Z Temperatura próby [ o C] Rys. 4. Wpływ temperatury na A 5 i Z badanego eliwa Fig. 4. Temperature influence on the A 5 and RA of the examined cast iron W zwizku ze stwierdzon zalenoci właciwoci wytrzymałociowych oraz udarnoci od temperatury, za celowe uznano przeprowadzenie obserwacji przełomów próbek na mikroskopie skaningowym JSM 50A firmy JEOL. Obserwacji poddano przełomy próbek po rozciganiu w temperaturze: 650 C; +20 C i ( 196 C), jak równie przełomy próbek złamanych w temperaturze +20 C i (-196 C). Zdjcia przełomów próbek udarnociowych przedstawiono na rys. 5. Sposób pkania austenitycznego eliwa sferoidalnego o zawartoci 20% niklu w wyniku działania obcie statycznych w temperaturze: 650 C; +20 C i ( 196 C) zilustrowano na rys C (-196 C) Rys. 5. Przełomy próbek udarnociowych Fig. 5. Photos of fracture surface of specimens after impact tests 331

6 +650 C +20 C 3. PODSUMOWANIE (-196 C) Rys. 6. Przełomy próbek po rozciganiu Fig. 6. Photos of fracture surface of specimens after tensile tests Analizowane eliwo charakteryzuje si w temperaturze otoczenia stosunkowo wysok wytrzymałoci na rozciganie (480MPa), jak równie wysok wartoci umownej granicy plastycznoci (240MPa). Pod tym wzgldem wytrzymałoci na rozciganie badany materiał przewyszał, w całym zakresie analizowanych temperatur wytrzymałoci odpowiednie dla eliwa o oznaczeniach: XNiMn23-4 oraz XNi22 ujtych w normie PN-EN 13835:2002. Umowna granica plastycznoci wyznaczona dla eliwa o zawartoci 20% niklu, niezalenie od temperatury prób, była zbliona dla wartoci ujtych normie. Własnoci plastyczne (A 5 i Z) oraz udarnoci uzyskane dla eliwa o zawartoci 20% niklu podczas prób prowadzonych w temperaturze otoczenia s zblione do własnoci plastycznych eliw: XNiMn23-4 i XNi22. W próbach prowadzonych w temperaturach obnionych analizowany materiał odznaczał si nieznacznie niszymi wartociami wydłuenia, przewenia i udarnoci w porównaniu z eliwami ujtymi w normie. Znaczne rónice we właciwociach plastycznych daje si zauway w temperaturze wynoszcej (-196 C). Badane eliwo (zawierajce 20% niklu) odznaczało si w tej temperaturze wydłueniem wynoszcym 16% i przeweniem odpowiednio 13%. Osnowa próbki poddanej obcieniom statycznym 332

7 zarówno w temperaturze ( 196 C), jak i w temperaturze otoczenia odznaczała si przełomem transkrystalicznym cigliwym o znacznie rozwinitej powierzchni. Zaobserwowane przełomy miały powierzchni ukształtowan w system stokowych wzniesie i wgłbie, wykazujcych lady znacznego odkształcenia plastycznego, w rodku, których wystpowały zazwyczaj wydzielenia grafitu. Wtrcenia fazy obcej oddziałuje jako koncentrator napre niezbdnych do zarodkowania mikropkni. Przyjmuje si [10, 11], e gdy nie ma wydziele, wtedy zarodkowanie mikropkni dla tego rodzaju przełomu wystpuje w mikroobszarach o najwikszym odkształceniu plastycznym. Wielko wzniesie i wgłbie na powierzchni przełomu zaley głownie od wielkoci ziarn i bloków osnowy oraz dyspersji wydziele. Wpływ czstek na zarodkowanie pustek wzrasta ze zwikszeniem prdkoci odkształcenia, lokalizacji odkształcenia plastycznego oraz koncentracji napre na granicy czsteczka-osnowa. Utworzenie pustki jest łatwiejsze, gdy rozmiary czstek s wiksze, a zarodkowanie pustki zachodzi po osigniciu przez wydzielenie rozmiaru krytycznego, który zmniejsza si z obnieniem temperatury. Potwierdzenie tego moemy znale w wartociach przewenie i wydłuenia, zanotowanych podczas statycznego obciania próbek w temperaturze otoczenia oraz (-196 C). Podobny charakter pkania mona zaobserwowa na próbkach poddanych działaniu obcie udarowych w całym zakresie analizowanych temperatur. lady pkni o charakterze midzykrystalicznym zaobserwowano na przełomach próbek rozciganych w temperaturze 650 C. Pkanie midzykrystaliczne w próbie rozcigania lub udarnoci, otrzymane w stopach elaza o strukturze pierwotnej przypisuje si znacznej segregacji, jak równie wydzieleniom faz po granicach ziarn. eliwo sferoidalne z zawartoci niklu na poziomie 20% odznacza si du wytrzymałoci, dobr plastycznoci i udarnoci w szerokim zakresie analizowanych temperatur, dorównujc pod tym wzgldem eliwom ujtym w normie PN-EN 13835:2002 o zawartoci niklu przekraczajcej 22%. Struktura badanego eliwa jest złoona z plastycznego austenitu, sferoidalnych wydziele grafitu oraz z wydziele wglika stopowego o wzorze M 3 C. Przełomy uzyskane podczas prowadzonych prób (statycznych i dynamicznych) wykazywały charakter transkrystaliczny, poprzedzony znacznym odkształceniem plastycznym. W wietle uzyskanych wyników celowe wydaje si prowadzenie dalszych bada majcych na celu wyjanienie przyczyn obnienia przewenia i wydłuenia w temperaturze (-196 C) oraz 650 C. Kontynuacja bada powinna dotyczy równie okrelenia kolejnoci miejsc inicjowania pkania osnowy metalowej eliwa w temperaturze podwyszonej. 333

8 LITERATURA [1] Dziadur W., Lisak J., Tabor A.: Badania korozyjne eliwa sferoidalnego wysokoniklowego, Odlewnictwo Nauka i Praktyka, Instytut Odlewnictwa, Zeszyt specjalny 2/2004. [2] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo Stopów elaza, PWN, Warszawa - Kraków [3] Podrzucki C.: eliwo - struktura, właciwoci, zastosowanie, ZG STOP, Kraków [4] Rczka J.S., Tabor A.: Optymalizacja składu chemicznego i technologii wytwarzania austenitycznego eliwa sferoidalnego; Odlewnictwo Nauka i Praktyka, Instytut Odlewnictwa, Zeszyt specjalny 2/2004 [5] Sakwa W.: eliwo, Wyd. lsk, Katowice [6] Tabor A.: Techniki wytwarzania. Wybrane zagadnienia z odlewnictwa., Politechnika Krakowska, Kraków [7] Tabor A., Dziadur W., Zarbski K.: Badania właciwoci mechanicznych austenitycznego eliwa sferoidalnego, II Ogólnopolska Konferencja Naukowa Problemy Jakoci Stymulatorem Rozwoju Technologii Bezodpadowych, Kraków [8] Tabor A., Raczka J.S.: Odlewnictwo, FOTOBIT, Kraków [9] Tabor A.: Mechanizm procesu krystalizacji i kształtowania struktury oraz własnoci austenitycznego eliwa sferoidalnego, Sprawozdanie projektu badawczego 7T08B [10] Maciejny A.: Krucho Metali, Wydawnictwao lsk Katowice, Katowice [11] Wyrzykowski J.W., Pleszakow E., Sieniawski J.: Odkształcenie i pkanie metali., WNT, Warszawa TEMPERATURE INFLUENCE ON THE TENSILE PROPERTIES OF THE AUSTENITIC NODULAR CAST IRON WITH 20% OF NICKEL SUMMARY This work presents results of the tensile properties of the austenitic nodular cast iron with 20% of nickel. The investigations were carried out in extensive range of temperature (from -196 C to 650 C) and lead to determination of: tensile strength; proof strength; elongation; reduction of area and impact strength for examined iron cast. Furthermore in this paper were placed photos of the microstructures of examined cast iron and photos of fracture surface of specimens after impact and tensile tests. Recenzował: prof. Jerzy Mutwil. 334