ROLA CZASU AUSTENITYZACJI W IZOTERMICZNEJ PRZEMIANIE EUTEKTOIDALNEJ ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Transkrypt

1 45/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN ROLA CZASU AUSTENITYZACJI W IZOTERMICZNEJ PRZEMIANIE EUTEKTOIDALNEJ ŻELIWA SFEROIDALNEGO T.SZYKOWNY 1, J.SADOWSKI 2 Akademia Techniczno-Rolnicza Wydział Mechaniczny, ul. Kaliskiego Bydgoszcz STRESZCZENIE Dwa gatunki niestopowego żeliwa sferoidalnego austenityzowano w temperaturze 960 o C w czasie 0,5, 2 lub 6 godzin, po czym wychładzano izotermicznie w temperaturze 820 lub 760 o C w czasie do 6 godzin. Na podstawie badań metalograficznych i mikroanalizy rentgenowskiej określono wpływ czasu austenityzacji na mechanizm i kinetykę przemiany Ar 1. Key words: ductile cast iron, eutectoid transformation, austenizing time 1. WSTĘP W trakcie austenityzowania żeliwa w stałej temperaturze nadkrytycznej zach o- dzi nasycenie osnowy węglem z wydzieleń grafitowych, ostateczne rozpuszczenie cementytu eutektoidalnego, wtórnego lub ledeburytycznego, rozrost ziaren austenitu, ujednorodnienie chemiczne osnowy, tworzenie porowatości dyfuzyjnej [1, 2,3,4]. Procesy te przebiegają na ogół równocześnie. Stan fizykochemiczny żeliwa jest zatem w wyjątkowo złożony sposób zależny od czasu austenityzowania. Będzie on wpływał na heterogeniczne zarodkowanie i wzrost poszczególnych faz podczas przemiany eute k- toidalnej. Czas austenityzacji żeliwa, zarówno w badaniach doświadczalnych jak i praktyce przemysłowej zawiera się w szerokich granicach, przy czym minimalna jego wartość wynosi ok.0,5h [1,4,5,6]. Wybór określonej wartości czasu austenityzacji, o ile jest w ogóle uzasadniany, to najczęściej potrzebą, osiągnięcia g ranicznego nasycenia auste- 1 Dr inż.,tadeusz.szykowny@atr.bydgoszcz.pl 2 Dr inż., jansad@atr.bydgoszcz.pl 355

2 nitu węglem, rozłożenia cementytu lub ujednorodnienia chemicznego osnowy. Czas austenityzacji zapewniający graniczne nasycenie austenitu węglem zależy od składu chemicznego i strukturalnego osnowy, temperatury austenityzacji, postaci i dyspersji grafitu [1, 2, 3, 4, 6]. Bezpośrednim celem niniejszej pracy jest ocena wpływu czasu austenityzowania żeliwa na kinetykę przemiany eutektoidalnej Ar 1, rodzaj i ilość otrzymywanych w jej wyniku struktur. Powyższy cel postanowiono zrealizować w oparciu o badania metalograficzne próbek wychładzanych izotermicznie w temperaturze bliskiej Ar 11 lub Ar MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto dwa, znacznie różniące się skłonnością do grafityzacji po d- czas przemiany eutektoidalnej, gatunki żeliwa: EN-GJS (żeliwo 1) i EN-GJS (żeliwo 2) scharakteryzowane w tabeli 1. Tabela 1. Charakterystyka żeliwa Table 1. Properties of iron cast Nr Skład chemiczny, % mas. Struktura żel. Osnowa, % obj. Grafit C Si Mn P S Mg Sc ferryt perlit cement. % obj. l.wydz mm 2 1 3,82 3,41 0,19 0,057 0,020 0,05 1,20 86,7 13,2 0,1 12, ,53 2,81 1,17 0,110 0,015 0,08 1,04 14,1 85,5 0,4 9,7 107 Z próbek YII pobrano krążki 20x3mm, które poddano obróbce cieplnej według schematu przedstawionego na rys Rys.1. Schemat obróbki cieplnej żeliwa Fig.1. Scheme of heat treament of the ductile iron

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Komplet 6 próbek austenityzowano w piecu wysokotemperaturowym dylat o- metru izotermicznego w czasie 0,5, 2 lub 6h, po czym przemieszczano do pieca niskotemperaturowego. W zadanych odstępach czasu oziębiano w wodzie po jednej próbce. Pomiar temperatury odbywał się przy pomocy termoelementu Ni-NiCr zgrzanego pojemnościowo z próbką, którą oziębiano na końcu. Na wszystkich próbkach wykonano ilościową analizę metalograficzną metodą siatki punktów. Na wybranych próbkach metodą rentgenowskiej mikroanalizy liniowej oceniono mikrosegregację krzemu i ma n- ganu. 3. WYNIKI BADAŃ WRAZ Z ICH ANALIZĄ Przemiana eutektoidalna w żeliwie 1 austenityzowanym przez 0,5h i wychładzanym w temperaturze 820 o C rozpoczyna się od wykrystalizowania perlitu w obszarach granicznych ziarn eutektycznych (rys.2a). Perlit ten jest nietrwały i z biegiem czasu wychładzania cementyt eutektoidalny sferoidyzuje i rozpuszcza się, a ferryt będący jego składową przemienia się w austenit. Po upływie 16 minut miejsca zajęte uprzednio przez perlit zajmują skupiska ziaren cementytu na tle austenitu (rys.2b). Przemiana eutektoidalna wg układu stabilnego rozpoczyna się gdy przemiana perlitu w mieszaninę austenitu i cementytu zakończyła się. Ferryt krystalizuje bądź w kontakcie z grafitem bądź tworzy siatkę złożoną z odrębnych ziaren. a) b) Rys.2. Struktura żeliwa 1 po obróbce cieplnej, T w =820 o C, A =0,5h, po czasie wychładzania izotermicznego a) 240s, b) 960s, pow.1000x traw. nital Fig.2. The structure of cast iron 1 after heat treatment T w =820 o C, A =0,5h, after following time of isothermal cooling a) 240s, b) 960s, mult.1000x, natal etched Kolejność tworzenia się poszczególnych produktów przemiany eutektoidalnej, ich morfologia w żeliwie austenityzowanym przez 2h jest taka sama jak w przypadku żeliwa austenityzowanego w czasie 0,5h z tym, że perlit rozpoczyna krystalizować dopiero po upływie 16 minut. Sześciogodzinny czas austenityzacji zmienia obraz przemiany eutektoidalnej. Nie obserwuje się w tym przypadku początkowej przemiany perlitycznej. Pierwszym produktem przemiany jest ferryt występujący po 1h wychła- 357

4 dzania w postaci drobnych wielokątnych ziaren nie mających najczęściej granicy z grafitem. Dalszy postęp przemiany prowadzi do uformowania nieciągłej siatki ferrytu. Przemianę eutektoidalną w żeliwie 2 austenityzowanym przez 0,5h i wychładzanym w temperaturze 820 o C poprzedza wydzielanie cementytu wtórnego w postaci siatkowej. Po upływie 4 minut wykrystalizowuje perlit mający najczęściej granicę z siatką cementytową. Wychładzanie w czasie 16 minut prowadzi do przemiany ferrytu eutektoidalnego w austenit. Tworzą się skupiska sferoidów cementytu na tle austenitu. Po upływie 2 godzin wychładzania obserwuje się ferryt w postaci pojedynczych ziaren, przeważnie nie mających granicy z grafitem. W żeliwie 2 austenityzowanym 2h, przemianę eutektoidalną poprzedza również wydzielanie cementytu wtórnego w postaci siatki, jest ona jednak słabiej ukształtowana. Również ilość tworzącego się kolejno perlitu jest mniejsza. Pod względem jakościowym dalsza ewolucja struktury zachodzi analogicznie jak w przypadku austenityzowania w czasie 0,5h. W żeliwie 2 austenit y- zowanym w czasie 6h wykrystalizowuje na początku szczątkowa siatka cementytu i mała ilości perlitu. Należy stwierdzić, że przemiana eutektoidalna, niezależnie od gatunku żeliwa i czasu austenityzacji rozpoczyna się (wyjąwszy żeliwo 1 austenityzowane 6h) w te m- peraturze bliskiej Ar 11, od krystalizacji struktur metastabilnych tzn. cementytu wtórnego i perlitu. W żeliwie 1 wychładzanym w temperaturze 760 o C po austenityzacji w czasie 0,5h lub 2h, przemiana eutektoidalna rozpoczyna się od jednoczesnej krystalizacji perlitu i ferrytu. Przewaga ilościowa perlitu zachowuje się w żeliwie austenityzowanym 0,5h do 480 sekundy, natomiast w austenityzowanym 2h do 120 sekundy. Austenityzacja w czasie 6h powoduje opóźnienie początku przemiany eutektoidalnej, która również rozpoczyna się równocześnie według układu stabilnego i metastabilnego, przy czym w całym przedziale czasu wychładzania ilościową przewagę ma ferryt (rys.4a). W żeliwie 2 wychładzanym w temperaturze 760 o C przemiana eutektoidalna niezależnie od czasu austenityzacji rozpoczyna się od krystalizacji p erlitu (rys.3a). Ferryt w postaci otoczek krystalizuje tym później i w mniejszej na ogół ilości, im dłuższy był czas austenityzacji (rys. 3b). Przemiana eutektoidalna zachodzi do końca tylko w żeliwie austenityzowanym przez 0,5h.. Na podstawie ilościowej analizy metalograficznej sporządzono tabelę zależności zawartości ferrytu F, perlitu P, od czasu wychładzania w temperaturze bliskiej Ar 11 (820 o C) i Ar 12 (760 o C) dla obu gatunków żeliwa (tabela 2). Zmiany zawartości ferrytu i perlitu podczas izotermicznego wychładzania żeliwa 1 i 2 przedstawiono na rys

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 3. Struktura żeliwa 2 po obróbce cieplnej, T w 760 o C, A =0,5h, po czasie wychładzania izotermicznego a) 120s, b) 480s, pow.500x, traw. nital. Fig.3. The structure of cast iron 2 after heat treament, T w =760 o C, A =0,5h, after following time of isothermal cooling a) 120s, b) 480s, mult.500x natal etched a) b) Rys.4. Zmiany zawartości ferrytu (F), perlitu (P) w zależności od czasu wychładzania w temperaturze 760 o C a) żeliwo 1, b) żeliwo 2 Fig.4. The influence of austenizing time on the ferrite (F) and pearlite (P) content at a process temperature of 760 o C a) cast iron 1, b) cast iron 359

6 Tabela 2. Wyniki analizy metalograficznej żeliwa wychładzanego w obszarze przemiany Ar 1 Table 2. Structural composition of cast iron being in the cooling process in the Ar 1 region Temp. wychładz. C Żeliw. Czas austenit. h Czas wychładzania, s ,5 P(0,8) 1) F(śl.), C k F(2,7) 2) 4), C k F(10,9) F(26,3) 1 2 P(0,2) F(0,5), C k F(4,6) F(13,1) F(0,2) F(2,3) F(8,3) 0,5 3) P(0,4), C s P(1,8), C s C k C k F(0,2) F(0,4) 2 2 P(1,0), C s C k C k F(0,1) F(0,6) 6 P(0,4), C s C k C k F90,1) F(0,6) Czas wychładzania, s ,5 P(1,4), F(0,3) P(14,2)F(10,7) P(58,8),F(29,7) F(84,2),P(13,8) F(96,7),P(3,3) F(98,7),P(1,3) P(0,4), F(0,1) P(16,2), F(7,2) F(57,0),P(32,1) F(88,5),P(8,4) F(95,7),P(3,5) F(98,1)P(1,9) 6 F(9,3), P(0,8) F(43,5),P(10,5) F(87,9),P(6,3) F(97,5),P(2,0) F(98,8),P(1,2) 0,5 P(0,2) P(18,0), F(0,2) P(75,0),F(1,1) P(82,1),F(7,7) P(51,5),F(44,4) F(83,3),P(15,7) 2 2 P(0,2) P(7,1) P(27,9),F(1,2) P(49,4),F(11,0) F(38,2),P(23,3) F(80,1),P(13,0) 6 P(0,4) P(4,0) P(13,1),F(0,7) P(33,8),F(6,4) F(40,6),P(24,2) F(77,7),(98,3) 1) P perlit, 2) F ferryt, w nawiasie podano zawartość w procentach objętościowych 3) C s cementyt siatkowy, 4) C k cementyt kulkowy, stwierdzono obecność, nie określano ilościowo 360

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na próbkach żeliwa 2 wychładzanych w temperaturze 820 O C przez 16 minut przeprowadzono liniową mikroanalizę rentgenowską. Określono stężenie Mn, Si i P wzdłuż linii łączącej centra ziarn eutektycznych poprzez martenzytyczną osnowę. Wyniki mikroanalizy przedstawia tabela 3. Tab.3. Wyniki liniowej mikroanalizy rentgenowskiej Tab.3. The results of X-ray microanalysis Czas austenityzacji, h Analizowany pierwiastek Zawartość pierwiastka, % Wskaźnik mikrosegregacji J C Przy graficie Na granicy Si 2,4 0,9 0,37 0,5 Mn 0,8 5,1 6,40 P 0 0,48 -- Si 2,9 1,8 0,62 2 Mn 1,1 2,4 2,18 P 0,05 0,17 -- Si 3,2 2,5 0,78 6 Mn 0,9 1,3 1,44 P 0 0, PODSUMOWANIE Czas austenityzacji żeliwa wpływa na kinetykę przemiany eutektoidalnej, rodzaj i ilość produktów tworzących się w jej trakcie. Przemiana eutektoidalna w żeliwie o większej skłonności do grafityzacji (żeliwo 1) austenityzowanym w czasie 0,5 lub 2h rozpoczyna się w temperaturze bliskiej Ar 11 (820 o C) od krystalizacji perlitu. Przedłużenie czasu austenityzacji do 6h zasadniczo zmienia obraz przemiany, która rozpoczyna się i zachodzi wyłącznie w układzie stabilnym (A F+G) Przemiana eutektoidalna w żeliwie o mniejszej skłonności do grafityzacji (żeliwo 2 ) niezależnie od czasu aust e- nityzacji, rozpoczyna się w temperaturze 820 O C od krystalizacji przedeutektoidalnej cementytu i perlitu. Zarówno w żeliwie 1 jak i 2 pierwotnie wykrystalizowany perlit jest nietrwały i w trakcie wychładzania ferryt będący jego składową przemienia się w aust e- nit. Przemiana ta była opisana w pracy [7]. Wzrost czasu austenityzacji opóźnia przemianę eutektoidalną. Przemianę eutektoidalną w temperaturze bliskiej Ar 12 (760 o C) rozpoczyna w żeliwie 1 krystalizacja perlitu i ferrytu, a w żeliwie 2 wyłącznie perlitu, niezależnie od czasu austenityzacji. Wzrost czasu austenityzacji wydłuża czas potrzebny do zajścia określonego stopnia przemiany perlitycznej oraz skraca czas rozpadu cementytu eute k- toidalnego. Znamienny jest wpływ czasu austenityzacji na maksymalną zawartość perlitu otrzymywaną w trakcie przemiany. Maksymalna zawartość perlitu w żeliwie 1 maleje sukcesywnie ze wzrostem czasu austenityzacji, od 58,8% do 10,5% natomiast w żeliwie 2, od 82,1% do 33,8%. Większy udział przemiany perlitycznej, większa trwa- 361

8 łość cementytu w żeliwie 2 wynika bezpośrednio z mniejszej skłonności do grafityzacji tego żeliwa. Przemiana eutektoidalna w żeliwie 2 w temperaturze 760 o C nie zachodzi do końca. Najwięcej nieprzemienionego austenitu pozostaje w żeliwie austenityzowanym w czasie 2 lub 6h. Należy przyjąć, iż przedstawione wyżej zależności od czasu austenityzacji mają swoją główną przyczynę w postępującym podczas austenityzacji ujednorodnieniu ch e- micznemu i strukturalnemu. Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej wskazują na zmniejszenie mikroniejednorodności chemicznej wraz z czasem austenityzacji. Ograniczenie występowania takich miejsc w osnowie jak nierozpuszczone węgliki, segregację utrudnia heterogeniczne zarodkowanie przemiany eutektoidalnej. LITERATURA [1] K.P. Bunin, J.N.Taran: Stroenie čuguna. Izd.Metallurgia, Moskwa [2] K. Ogi, i in.:giesserie-praxis, nr 6, s. 73, [3] A. Ikhlef, i in.: Hommes et Fondries, Nr 1, s. 9, [4] H. Oleszycki : Rozprawy nr 7, ATR Bydgoszcz, [5] J.M. Schissler i in.: Hommes et Fondries, nr 8-9, s. 9, [6] T. Szykowny, J.Sadowski.: I Krajowa Konferencja Inżynieria Materiałowa, Materiały, s. 59, Gdańsk, [7] T. Szykowny: Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, nr 17, s. 303, THE ROLE OF AUSTENIZING TIME IN ISOTHERMAL EUTECTOID PRO- CESS OF SPHEROIDAL CAST IRON SUMMARY Two kinds of plain spheroidal cast iron were in the austenizing process at a temperature of C for 0.5, 2.0, or 6.0 hours, and then were in the isothermal cooling process at a temperature of 820 or C for 6.0 hours. On the basis of a metallographic examination and an X-ray microanalysis the influence of austenizing time on the mechanism and kinetics of the Ar 1 process was determined. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik 362