ST ANISLA W PIETROWSKI, BOGUSLA W PISAREK

Transkrypt

1 20, 1994 Soidification of Metais and Aoys Krzepnięcie Metai i Stopów PL ISSN WPLYW NIKLU NA KRYSTALIZACJĘ PIERWOTNĄ I WTÓRNĄ ŻELIW A ŚREDNIOCHROMOWEGO ST ANISLA W PIETROWSKI, BOGUSLA W PISAREK Poitechnika Łódzka, Łódź W pracy przedstawiono wyniki badań metodą A TD krystaizacji pierwotnej i wtórnej żeiwa podeutektycznego zawierającego 5,9-6,8% Cr i zmienne iości niku w zakresie 0,1-9,4%. Stwierdzono, że w zakresie krystaizacji pierwotnej nikie nieznacznie wpływa na temperaturę ikwidus i soidus, ae wpł) wa na intensywność krystaizacji eutektyki. Da krystaizacji wtórnej do zawartości około 2 % Ni na krzywej deriwacyjnej występuje "garb" perityczny, a powyżej tej zawarto ści pojawia się pik od przemiany bainitycznej. Metodyka badań i skład chemiczny badanego żeiwa Żeiwo wytapiano w piecu indukcyjnym o częstotiwości 8 khz i poj em n ośc i tyga 20 kg. Wsad s kł adał się z wewków żeiwnych o średnim składzie chemicznym: 3,4o/t C. 2,10% Si. 0,37 % Mn, 0,08% P, 0,02% S. Po ich roztopieniu, przegrzaniu żeiw a do 1480 ± 0 C i usunięciu żuża wprowadzono wymaganą iość żeazochromu FeCrOO o zawartości 65,3 % Cr i niku technicznego Ni98,6. Żeiwo o temperaturze 1450 ± 0 C odewano do standardowego próbnika ATDIO. Rejestrację krzywych T = f('r) i dt/dt = f(-r) przeprowadzono na boku CRYSTALDIGRAF PC/AT produkcji OBRUM-Giiwice. Na graficznych ujęciach zmian temperatury i jej pierwszej pochodnej (rys. - 5) o kr eś on o charakterystyczne punkty i odcinki krystaizacji pierwotnej i wtórnej żeiw a. Da powyższych punktów okre ś ono temperaturę i wartość pierwszej pochodnej temperatury po czasie, a da charakterystycznych odcinków krzywej deriwacyjnej (dt/d-r) okreś ono wartość drugiej pochodnej punktu. da którego styczna "pokrywa się

2 52 S. Pietrowski, B. Pisarek w największym stopniu" z tym odcinkiem. Wartość drugiej pochodnej temperatury po czasie (d2t/d't2 = f'(t) - intensywność krystaizacji) jest dodatnia, gdy f(t) w danym odcinku jest funkcją rosnącą, gdy f('t) jest funkcją maejącą f'('t) przyjmuje wartości ujemne. Do badań metaograficznych próbkę przecięto prostopade do jej osi na wysokości "główki" termopary. Zgłady metaograficzne trawiono 4% roztworem HN0 3 w akohou. Zdjęcia struktur wykonano przy powiększeniu OOx i 500x na mikroskopie typu EPITYP II. Pomiar twardości przeprowadzono na twardościomierzu RockweBa wg PN-91/H w skai C. Twardość mierzono na średnicy zgładu w obszarze otoczenia termopary. Wybrany skład chemiczny badanego żeiwa i stosunek Cr/C przedstawiono w tabei. Tabea Lp. Oznaczenia c Skład chemiczny, o/o S i M n p s Cr Ni Cr/C ZICr6 3,48 2,43 0,42 0,051 0,026 5,89 0,08 1,69 2 ZICr6Ni2 3,41 2,41 0,40 0,046 0,014 6,79 2,55 1,99 3 ZICr6Ni4 3,34 2,24 0,39 0,050 0,024 6,70 4,50 2,01 4 Z1Cr6Ni6 3,14 1,94 0,33 0,047 0,017 6,56 5,65 2,09 5 ZiCr6Ni9 3,12 2,44 0,30 0,050 0,029 6,54 9,43 2,09 Wyniki badań Opis charakterystycznych punktów krzywych deriwacyjnych Poszczegóne punkty na krzywych deriwacyjnych opisujące krystaizację pierwotną oznaczają : Pk - początek krystaizacji fazy pierwotnej (austenitu pierwotnego) w temperaturze TPk, A - maksymany efekt ciepny procesu krystaizacji dendrytycznej austenitu, temperatura ikwidus T A = TL, B - maksymaną szybkość stygnięcia po okresie zarodkowania fazy pierwotnej w temperaturze TB, D - równowagę w zakresie wydzieania i oddawania do otoczenia ciepła w pierwszym etapie procesu krystaizacji eutektyki podwójnej (Fe, Cr) 3 C+y (M 3 C +austenit) w temperaturze TD, (dt/d't) D= O, E - maksymany efekt ciepny krystaizacji eutektycznej (M 3 C+y) w temperaturze TE, F - równowagę ciepną (podobnie jak punkt D) krystaizacji eutektycznej w drugim etapie, temperatura soidus TF =TS, (dt/d't) F= O,

3 Wpłvw niku na krystaizacjf( pierwotną G - efekt ciepny początku krystaizacji ostatnich porcji ciekłego żeiwa w temperaturze TG, H - koniec krystaizacji eutektyki M 3 C+y w temperaturze TH. Punkty na krzywych deriwacyjnych opisujące krystaizację wtórną oznaczają: J, J' - efekt ciepny początku krystaizacji wtórnej da przemiany odpowiednio austenit--> perit i austenit--> bainit, w temperaturze TJ i TJ'; K, K' - maksymany efekt ciepny krystaizacji wtórnej da przemiany odpowiednio austenit--> perit i austenit--> bainit, w temperaturze TK i TK'; N, N' - efekt ciepny końca krystaizacji wtórnej da przemiany odpowiednio austenit -->perit i austenit--> bainit, w temperaturze TN i TN'. Anaiza krzywych T= j(r) i dtid'r = f('r) oraz struktury badanego żeiwa Krzywe ATD i strukturę żeiwa ZCr6 zawierającego około 6% Cr przedstawiono na rysunku (a,b). Na krzywej deriwacyjnej w zakresie Pk - H krystaizacji pierwotnej występuje obszar PK - B krystaizacji dendrytów austenitu oraz obszar B - H krystaizacji eutektyki złożonej z (Fe,Cr) 3 +y (M 3 C + austenit). W zakresie przemiany fazowej w stanie stałym (krystaizacji wtórnej) występuje obszar J - N przemiany austenitu w perit. Struktura złożona jest z edeburytu przemienionego oraz peritu, jak to przedstawia rysunek (a). Wpływ niku w iości 2,55-9,43 % na krzywe ATD oraz strukturę odewów przedstawiono na rysunkach 2-5(a,b). Z anaizy przedstawionych krzywych ATD wynika, ż e w obszarze krystaizacji austenitu pierwotnego (Pk- B) nikie nie wywiera znaczącego wpływu na jego charakter. W zakresie krystaizacji eutektycznej (obszar B - H) Ni nie zmienia wartości temperatury TD, TE, TF, jak to pokazano na rysunkach 6-8. Zawierają się one w zakresie C. Nikie zwiększając aktywność węga w ciekłym żeiwie wpływa na zmniejszenie iości i rozdrobnienie wydzieeń węgika M 3 C (rys. a- Sa). Przejawia się to zwiększeniem intensywności krystaizacji ZDB (rys. 6) przed maksimum efektów ciepnych (punkt E na krzywej dt/d"t) krystaizacji eutektyki M 3 C+y. Zmiany intensywności ZDB w funkcji zawartości Ni w żeiwie opisano równaniem ZDB = 6, ,4846 * Ni, C/s 2 () przy odchyeniu standardowym cr = 1,06, C/s 2. Krystaizacja eutektyki po maksimum efektów ciepnych ZFG przebiegała ze zmienną intensywnością (rys. 8). Osiągnęła swoją największą wartość przy około 5% Ni w żeiwie. Zmienność intensywności ZFG w funkcji zawartości Ni w żeiwie przedstawia następujące równanie: ZFG = -3,7815-0,4665 *Ni+ 0,0487 * Ni 2, C/s 2 (2)

4 54 S. Pietrowski, B. Pisarek a) x100 x ~ ~ ~ ~ PW! DEF OH K N 125C (/) '-... u o 1- ~ 1 T=f(-;- ) " t- e 5 1 ; " \:::: Gr. --Z- I C-r-6---+~~~~ ~f~~~ h) 4 5() -i:;:::;:::;:::::;:::;:::;::::::;::::~~r--...,-,-..,...,.-,-.h...,...~----, c 400 8Q Q T ' s TL=TA TS =TF TK ZFG ZGH OC oc/s ,8 --49,6 Rys.. Struktura (a) i krzywe AID (b) żeiwa zawierającego 5,89% Cr i 0,08% Ni

5 Wpryw niku na krystaizację pierwotną a) x100 x , r r K N ~ --t ~T~d ~= ~( T - ~C ~ i 1- ~ t -2 IJ) u " o BS O +r r-~~ ~------~-3" t- "'0 t u -4 h) ZICr6Ni 2!i o ~,::;,;:::;:::::;:::;::;:::;::::;::;=-.-.,...-,------r--~-r-,...,...~-r o T s TL=TA TS =TF TK ZFG ZGH OC oc/s ,9-33,9 Rys. 2. Struktura (a) i krzywe ATD (b) żeiwa zawierającego 6,79% Cr i 2,55% Ni

6 56 S. Pietrowski, B. Pisarek a) x100 x , ~ ~ J' K'N' -- ZICr6Ni4 h) s ' L=TA TS =TF TK' ZFG ZGH OC oc/s ,2-42,0 Rys. 3. Struktura (a) i krzywe AID (b) żeiwa zawierającego 6,70% Cr i 4,50% Ni

7 Wpłvw niku na krvstaizację pierwo tną a) x100 x , r ~ r Pi<A B DEf G H J'K'N' r---;---- r d T/ d~y ' ( T ~ --~ - :--[ o u h) ' ',, ' ~-~ : +! ZiCr6N i 6 ~ t-- v : : ~ ::: 1- ::: -o ; i ',, ~~~~~~~~~~,-rr~~-r~~ ~ -5 o T s TL=TA TS =TF TK' ZFG ZGH OC oc/s ,4-19,9 t Rys. 4. Struktura (a) i krzywe ATD (b) żeiwa zawierającego 6,56% Cr i 5,65 % Ni

8 58 S. Pietrowski, B. Pisarek a) x100 x ~ ~ J"K"N" Z 1 C r6 ~i 9 h) TL=TA T TS =TF OC 1150 ' s TK' ZFG ZGH oc/s ,8-25,3 Rys. 5. Struktura (a) i krzywe AID (b) żeiwa zawierającego 6,54% Cr i 9,43% Ni

9 Wpływ niku na krystaiza cję pierwot n ą ~~~ ~~ ~,200 ~.".""",.,---.. ",.",..,,..- ~--... ~-~-- 10 TO 11~+-----~~---,--~ :0. "...,u CD o N 11oo.,...,...,......,...,...,.....,...,... ~,o 2 4 Ni,!Ił Rys. 6. Zmiana TD i ZDB w funkc ji Ni, 300 -r ro.& -,_ ICE ~ ro,o ()... u (..).!3)(1 ~O.. \- - "O... ta b u Ni!Ił Rys. 7. Zmiana TE i KE w funkcji Ni,~~ ~ ZFC 12DO ~ e (..) 12DO -,,~ł----~~-~--~ ~... ~.., ,...,...,...,...,...,"'"'!...,t o.. Ni.,. Rys. R. Zmiana Tri ZFG w fu nkcji Ni

10 60 S. Pietrowski, B. Pisarek t D -. (,). ta t- " ~,...1..,, "' Ni.,... Rys. 9. Zmiana TG, KG, ZGH w funkcji Ni,,,. f-o u _,,O 1010 t- 1-!Ił. A.,. - "'" - " o ~ -,. '5-...,u -U :t " ~ ~ ~ to 1.0 [-1.1 ~a.o..e..u 1-- ~ -u IQ 1001 t... Ni Rys. 10. Zmiana TH i KH w funkcji Ni ł.o Ni, Rys. 11. Zmiana HRC żeiwa w funkcji Ni

11 Wpływ niku na krystaizacj ę pi e rwo tną Nikie zw i ęk sza i ość ciekłego metau krzepnącego w ostatniej fazie krystai zacji eutektyki (obszar G - H) powodując zmniejszenie intensywno ś ci ZGH (rys. 9). Wzrasta ni eznacznie temperatura i prędkość stygnięcia (odpowiednio TG i KG - rys. 9) ostatnich porcji c i e kł ego że i wa i j edn ocześn ie maeje temperatura i prędko ść s tygn i ęc ia (odpowiednio TH i KH -rys. 10) końca krystaizacji ciekłego żeiwa. Zmiany temperatury i prędkości s ty g ni ęc i a oraz intens y wności krystaizacji da punktów G i H w funkcj i zawar tośc i Ni w że i wie opisano następując y mi równaniami: TG = 1114, ,440 *Ni, C (3) cr = 4,2, C KG = -0,566-0,008 * Ni, C/s (4) cr = 0,07, 0 Cis ZGH = -49, ,37 * Ni - 0,29 * Ni", C/s 2 (5 ) cr = 6,38, o :2 C/s TH = 080,885-2,286 * Ni. C ((-i) KH = -1, * Ni. C/s cr = 0,06, 0 C/s W zakresie krystaizacji wtómej Ni opóźnia przemian ę austenit --> perit, zmniejsza jej inten syw n ość, a co za tym idzie w y dłu ż a czasjej trwania (rys. b- 3b). Przy zawartośc i 4.5 7c Ni w że iwi e (rys. 3b) w obszarze krystaizacji wtómej efekt ciepny od przemiany austenit --> perit jest minimany (brak punktów K i N). Spowodowane jest to niewieką iością przemieni onego austenitu w perit (rys. 3a). W wyniku ciągego ch ł odzenia próbki b ez p oś red ni o po zakoikzeniu przemiany austenit --> perit rozpoczyna s i ę przemiana austenit --> bainit w punkcie J', a końc zy s i ę w punkcie N'. W badanym że iwi e charakterystyczne są wysokie temperatury punktów.t'. K' i N'. wynoszące odpowiedni o TJ' = 581 C, TK' = 576 C i TN' = 564 C. Przy daszym oc hł adzan iu próbki na krzywej deriwacyjnej nie w ystę pują ju ż efekty ciepne przemian y austenitu. Jego ni ewieka i ość przemi e nił a się w martenzy. Wzrost za wart ości Ni p owyżej 4.5 rc w że iwi e ikwiduje przemianę austenit --> perit, o bni ża temperaturc,: i zmniejsza efekt ciepn y przemiany austenit--> bainit (rys. 4b i Sb).

12 62 S. Pietrowski, B. Pisarek Wraz ze zmianą zawartości Ni w żeiwie struktura zmieniała się od edeburytyczno -peritycznej da Z1Cr6 i Z1Cr6Ni2 (rys. a i 2a) poprzez edeburytyczno- -austenityczno-perityczną z niewieką iością bainitu i martenzytu da Z1Cr6Ni4 (rys. 3b) do edeburytyczno-austenitycznej z niewieką iością bainitu i martenzytu da Z1Cr6Ni6 i Z1Cr6Ni9 (rys. 4a i 5a). Twardość żeiwa w zaeżności od zawartości niku w żeiwie zmieniała się w zakresie HRC, jak to pokazano na rysunku 11. Zmienność twardości w funkcji zawartości Ni w żeiwie opisano równaniem: HRC = -41, ,200 *Ni- 1,996 * Ni 2 + 0,127 * Ni 3 (8) cr = 2,5 W wyniku obiczeń z zastosowaniem metod statystycznych uzyskano następujące zaeżności twardości w funkcji Ni, Cr/C, ZFG, ZGH: - współczynnik - test F da funkcji - standardowy błąd est. oraz - współczynnik - test F da funkcji - standardowy błąd est. HRC = -78,819-4,647 *Ni+ 95,515 * Cr/C + 10,450 * ZFG (9) R 2 = 0,96, F= 9,77, s= 1,98, HRC = -87,102-1,553 *Ni+ 58,635 * Cr/C -0,621 * ZGH (10) R 2 = 0,99, F= 100,76, s= 0,69. Wnioski Z przedstawionych w pracy wyników badań wynika, że nikie: - zwiększa intensywność krystaizacji przed maksimum efektów ciepnych krystaizacji eutektyki, -przy zawartości 4,5 % w żeiwie w największym stopniu zwiększa intensywność krystaizacji po maksimum efektów ciepnych krystaizacji eutektyki, - zmniejsza intensywność przemiany austenit --> perit, ikwidując ją przy zawartości powyżej 4,5% i powoduje przemianę austenit--> bainit, której efekt ciepny rejestruje się na krzywej deriwacyjnej, - do zawartości 4,5% zwiększa twardo ść, a powyżej tej zawartości zmniejsza ją, jak również równania (9) i (O) twardości HRC żeiwa w funkcji parametrów krzywej deriwacyjnej (ZFG, ZGH), iości Ni i stosunku Cr/C są pod wzgędem statystycznym istotne.

13 Wpływ niku na krystaizację pierwotną Literatura. S. PIETROWSKI, B. PISAREK: Krzep. Metai 1992, 16, C. PODRZUCKI: Żeiwo. ZG STOP, Kraków Summary THE INFLUENCE OF NICKEL ON THE PRIMARY AND SECONDARY CRYSTALLIZATION OF MO DERA TEL Y CHROMIUM CAST IRON Herc have bccn presentcd thc test resuts of tbc primary and secondary crystaization, made with the metbod of therma-derivation anaysis (A TD) for the cast iron w h ich contains % o f Cr and varries with Ni eontent in the range %. [t h as been stated that nickei does not infuence significanty the temperature of iquidus and soidus for the cast iron, but it intuences the intensit)' of eutectic crystaization. For the secondary crystaization, with Ni eontent to 2%, there is a pearite "nose" on the derivative curve, and above this vaue, the peaks appears from the bainite transformation. The structure of cast iron body, simutaneousy to Ni eontent arising up to 9.4%, changes from the edeburite-pearite, through the edeburite-pearite-austenite with itte quantity bainite and martensite to edeburite-austenite with itte quantity bainite and martensite. The hardness of the cast iron changes together with the structure in the range of HRC. The equations ha,e been eaborated, that determinc thc HRC hardncss in the function of the Ni content, the Cr/C reation, and the intensity of the eutectic crystaization.