36/7 SoHdificatioo of Metais and Allays, No.J6, 1998 Kncpoięcie Metali i Stopów, Nr 36, 1998 P AN - Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 36/7 SoHdificatioo of Metais and Allays, No.J6, 1998 Kncpoięcie Metali i Stopów, Nr 36, 1998 P AN - Oddział Katowice PL ISSN STRUKTURA l WŁAŚCIWOŚCI ŻELIW A SFEROIDALNEGO OTRZYMANEGO TECHNIKĄ PE GUZIK Edward Akademia Górniczo-Hutnicz.a Wydział Odlewnictwa ul. Reymonta 23, Kraków W pracy przeprowadzono ocenę przydatności sferoidyzującego przewodu elastycznego (metoda PE) do wytwarzania ferrytycmego żeliwa sferoidalnego gatunku 400- l&l, przy czym metal wyjściowy wytapiano w żeliwiaku. Przy odpowiedniej zawartości Mgu w żeliwie oraz prawidłowo przeprowadzonym zabiegu modyfikowania, otrzymano regularną, kulkową postać grafitu, natomiast regulując zawartością Mn i S i zapewniono osnowę ferrytycmą. Zmiana zawartości Si w żeliwie pozwala uzyskać fenytyczną osnowę w strukturze, zapewniającą wymaganą wartość udamości KU w obniżonej temperaturze która jest wymagana dla żeliwa sferoidalnego gatunku L. l. Wprowadzenie Ogólnie wiadomo, iż żeliwo jest podstawowym tworzywem odlewniczym do wytwarzania odlewów o różnorodnym przemaczeniu, o masie i gabarytach, zawierających się w przedziale od kilku kg do kilkaset ton. Odlewy z żeliwa wysokojakościowego sferoidalnego mają zastosowanie, w przemyśle motoryzacyjnym w szerokim jego zakresie, maszynowym (obrabiarkowym), na walce hutnicze, rury i inne [l]. W krajach posiadających nowoczesny przemysł, produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego oraz wermikułamego w porównaniu do innych gatunków żeliwa z wydzieleniami grafitu płatkowego jest dość macma. W takich krdjach jak np. Francja, USA. RFN czy Chiny stoslulek ten np. w roku 1995 wynosił : 47.2; 37.8, 32.0 i 14.18%, natomiast w naszym kraju oraz we Wspólnocie Niepodległych Państw wskaźnik tenjest niekorzysbly i wynosił odpowiednio: 9.6 i 3.3% [2]. Udział odlewów z żeliwa sferoidalnego w przemyśle krajowym wykazuje od kilku lat tendencję wzrostową i tak np. w roku i 95, osiągnięto następującą rocmą produkcję (odpowiednio); 52, 59 i 70 tys. ton. Przeprowadzona we własnym zakresie specjalna ankieta w szeregu krajowych odlewni wykazała, iż obecnie produkcja odlewów z żeliwa sferoidalnego oscyluje.na poziomie około 150 tys. ton [3], a zatem wskaźnik

2 58 nowoczesności odlewni (stosunek produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego do ogólnej masy produkowanego żeliwa) zwiększył się dość znacmie z wartości 9.6 do 19.3%. Przy zapewnieniu odpowiednio wymaganego składu chemiemego żeliwa wyjściowego do zabiegu sferoidyzowania, bardzo istotnym elementem technologii wytwarzania tych wysokojakościowych gatunków żeliwa jest wprowadzenie do ciekłego metalu odpowiedniej dawki sferoidyzatora. Proces otrzymywania żeliwa sferoidalnego i żeliwa z wykorzystaniem Mg lub jego stopów, a w tym zawartego w przewodzie elastycznym (tzw.,.metoda drutowa") składa się z wielu działań metalurgicznych. W przypadku wytapiania żeliwa w żeliwiaku, niezbędne staje się na ogół przeprowadzenie odsiarczania ciekłego metalu, gdyż siarka (pochodząca z koksu) intensywnie reaguje z magnezem zwiększając jego zużycie. Proces ten jest zbędny przy wykorzystaniu do topienia metalu pieca elektrycznego. Wprowadzanie Mg lub jego stopów jest operacją najtrudniejszą w procesie wytwarzania żeliwa sferoidalnego, z uwagi bowiem na niską temperaturę parowania Mg (T P =II 07 C} obserwuje się "burzenie" kąpieli, "wypryski" metalu oraz efekt pirotechniczny, a w związku z tym stosuje się różne metody przeprowadzania tego zabiegu (4]: a) wprowadzanie za pomocą dzwonów wykonanych z różnych materiałów (z blachy stalowej, z materiałów szamotowo-grafitowych, z grafitu); b) zalewanie na dnie kadzi (zaprawa jest umieszczana w odpowiednim zagłębieniu w dnie kadzi, z jej odmianami SANDWICH, TRIGGER, TUNDISH, z wykorzystaniem koksu nasyconego magnezem); c) wprowadzanie prętów z elektronu (stopów Mg-Al), do kadzi uszczelnionych; d) wprowadzanie w kadzi konwertorowej (fumy G. Fischer) technicznie czystego Mg: e) wprowadzanie do kadzi umieszczonej w autoklawie ciśnieniowym; f) wdmuchiwanie w strumieniu gazu nośnego do kąpieli w kadzi z wkładką porowatą w dnie (metoda OSMOSE); g) metody inne, specjalne, np. FLOTRET i IMCONOD (z wykorzystaniem specjalnych konstrukcji rynien spustowych) oraz INMOLD (sferoidyzowanie w formie). Dążenia do wyeliminowania szkodliwych zjawisk, obserwowanych przy wprowadzeniu do metalu Mg, a także zwiększenia efektywności zabiegu sferoidyzowania było, jak i zapewne w przyszłości będzie przyczyną rozwijania nowych technik wprowadzania tego pierwiastka do żeliwa. Do nowoczesnych metod sferoidyzowania, rozwijanych obecnie za granicą (która jest już wdrożona w kraju; w Odlewni F AP,,ZETKAMA"- Kłodzko), zaliczamy metodę przewodu elastycznego, popularnie zwaną metodą "drutową" (ang. Cored Wired lnjection Method) [5,6], którą w niniejszej pracy oznaczono umownie jako metoda PE. Celem niniejszej pracy jest ocena zabiegu sferoidyzowania żeliwa metodą PE, ze szczególnym uwzględnieniem technologii wytwarzania, tak ostatnio poszukiwanego na rynku, ferrytycznego żeliwa gatunku 400-ISL, będącego odpowiednikiem wg. DIN - GGG Dla tego gatunku żeliwa wymaga się, przy zachowaniu odpowiednich wartości właściwości R", i A 5, odpowiedniej udarności w temperaturze -20 C, to jest 'KU min. 9 J.

3 l. Metodyka i wyniki badad Wytopy przeprowadzono w Odlewni F AP-ZETKAMA gdzie metal wytapia się w żeliwiaku o średnicy ; 800 mm pracującym z zastosowaniem dmuchu. podgrzanego do temperatury C i wzbogaconym w tlen (instalacja tlenu finny LINDE - GAZ). O ile w czasie topienia żeliwa w piecach indukcyjnych można zapewnić (przy odpowiednio dobranych materiałach wsadowych m.in. surówka typu JAK), małą zawartość siarki, to jej maczne zwiększenie występuje podczas procesu żeliwiakowego (siarka pochodząca z koksu), co przy zastosowaniu klasycznych metod sferoidyzacji, praktycznie utrudnia prowadzenie zabiegu sferoidyzowania że liwa. Stąd też dla potrzeb tej odlewni zaadaptowano metodę przewodu elastycznego, jako optymalną i wyczerpującą aspekty ekonomiczne oraz BHP. Schemat zainstalowanego urządzenia do zabiegu sferoidyzowania pokazano na rys. l. Przy pomocy dozownika (3) (tzw.podajnik rolkowy) wprowadzano do kadzi smukłej z ciekłym żeliwem wymagany odcinek przewodu elastycznego sferoidyrojącego (typu INFORM-MAG o średnicy ; 13 mm produkcji SKW Trostberg), pobieranego ze specjalnej "szpuli" (4). Długość wprowadzanego przewodu sferoidyzujacego, w zależności od masy ciekłego żeliwa i zawartości siarki, obliczano z zależności [7,8,9): 59 l= [(0,16 L1S)+Mgu)-m 1 m MgrayU MgP ' (l) gdzie: L1S=SrS 2, zawartość siarki w żeliwie odpowiednio przed i po wprowadzeniu Mg, %,\ M~- minimalna zawartość Mg, jaka ma pozostać w żeliwie (tzw.,,krytyczna zawartość Mg"), o/o, mt - masa sferoidyzowanego żeliwa w kadzi, kg, Mgp- ilość magnezu w l m przewodu sferoidyrojącego (w naszym przypadku zawartość Mg = 47glm), O, 76- współczynnik wynikający z przeliczenia mas atomowych siarki i magnezu, MgiiZJ'Sł - uzysk magnezu (stały wynoszący 40 %).

4 60 Rys. l. Ogólny schemat stanowiska do zabiegu sferoidy-.rowania żeliwa metodą przewodu elastycznego; l - kadź z ciekłym metalem, 2 - ogniotrwała pokrywa, 3 - podajnik rolkowy, 4 -,,szpula" z elastycznym przewodem sferoidyzującym, S - elektroniczny pulpit sterowniczy; 6- odciąg gazów Po wprowadzeniu do ciekłego żeliwa wymaganej zawartości Mg, kadź transportowano na specjalne stanowisko i w czasie przelewania metalu do kadzi rozlewniczych wprowadzano modyfikator grafityzujący typu SB - 5 (2 % Ba, 1,5 % Al, l % Ca, Si i Fe- reszta), a następnie odlewano wlewki wytrzymałościowe typu "U". Próbę udamości w obniżonej temperaturze (ciekły azot i alkohol etylowy) przeprowadzono sposobem Charpyego zgodnie z PN. Równolegle przeprowadzono wyżarzanie ferrytyzujące próbek w temperaturze 910 C i czasie 2,5 h. Następnie chłodzono próbki z piecem do zakresu temperatury przemiany eutektoidalnej, w której przez okres 9h stosowano prędkość chłodzenia l O Klh. Z tak wyża-rzonego żeliwa określono właściwości mechaniczne oraz udamość w obniżonej temperaturze. Wyniki badań właściwości mechanicznych; wytrzymałoś(."i na rozciągani R.n, wydłużenia As, twardości HB oraz udarności żeliwa sferoidalnego p17~dstawiono w tabeli l oraz pokazano na wykresie słupkowym ( rys.2), na którym zamieszczono dodatkowo wartości udamości żeliwa po wyżarzaniu ferrytyzującym. W początkowym okresie badań, otrzymano w strukturze żeliwa grafit kulkowy nieregularny Gf& i regularny Gf9, natomiast z ostatnich wytopów uzyskano już tylko grafit regularny. Z uwagi na ~ększoną zawartość Mn (0,2-0,4%,) otrzymano żeliwo sferoidalne, charakteryzujące się niskimi wartościami wydłużenia A 5 oraz zwiększoną wytrzymałością na rozciąganie R.n (zwiększony udział perlitu w strukturze żeliwa), a zatem uzyskano żeliwo gatunku 600-3, bądź O. Zmniejszenie zawartości Mn w żeliwie do poziomu 0,15% oraz zapewnienie w żeliwie krzemu w zakresie 2,2-2,8 % ( przy zawartości: C=3,6-3,8%; fosfor poniżej 0,0?0/o), powoduje stopniowe

5 zwiększanie udziału ferrytu w osnowie metalowej (do ok. 9(}0/o), a w konsekwencji uzyskanie wartości wydłużenia As w zakresie l l - 18,5 o/o, przy wytrzymałośc i Rm = MPa i twardości jednostek HB. Z analizy danych zestawionych w tabeli l oraz wartości udarności pokazanych na rys.2 wynika, iż przy zawartości krzemu w stopie na poziomie 2,4 /o, otrzymano wymagane wartości wytrzymałości i wydłużenia oraz udarności (KU = 13,4 J), które pozwalają zaklasyfikować to żeliwo sferoidalne jako gatunek ISL. Po przeprowadzeniu zabiegu wyżarzania fenytyzujacego żeliwa sferoidalnego, wszystkie próbki spełniają wymogi pożądanej udamości ( rys.2), ale jedynie żeliwo o osnowie ferrytycmej z wytopu nr 4 i 5 posiada wg PN, wymaganą wartość wytrzymałości Rm, (odpowiednio 426 i 423 MPa) oraz wydłużenia A 5 ( 26,5 i 24 %). Reasumując wyniki badań zastosowania metody PE (sferoidyzujacy przewód elastyczny) do zabiegu sferoidyzowania żeliwa można wskazać, że metoda ta pozwala uzyskać, z metalu wytopionego z żeliwaka, żeliwo sferoidalne z wydzieleniami grafitu kulkowego. Sterowanie zawartością krzemu, przy odpowiednio niskim poziomie Mn (poniżej 0,15%) pozwala otrzymać, poszukiwane na rynku żeliwo sferoidalne o osnowie ferrytycmej gatunku l8l, będą,~e odpowiednikiem wg DIN jako gatunek GGG Tabela l Właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego Nr Zawartośc Si Właściwości mecbanic:zne żeliwa sferoidalnego wytopu "'o wag. R",, MPa As. "'o Twardość Udamość BB KU,J l

6 62 GO... CIO -..,... ci "ił... CD 'O o N... ~ o :;:)... ~ GO...; o CIO E 1'1 "ił ":;:) N o Zawartośt SI, % wag Rys. 2. Wartości udamości żeliwa KU otrzymanego w poszczegolnych wytopach, gdzie: O - żeliwo sferoidalnet:j - żeliwo sferoidalne po obróbce cieplnej 3. Literatura [l] Gusseisen mit Kugelgraphit, Konstruieren + Giessen, 1988, 13, nr l, s [2] 30 Census ofworld Casting Production Modern Casting. 1996, nr 86, s [3] Ankietyzacja krajowych odlewni. Katedra Odlewnictwa Żeliwa - Wydział Odlewnictwa AGH. Kraków 1997 (nie publikowane). [4] Guzik E., Podrzucki C.: Nowoczesne metody obróbki uszlachetniającej ciekłego żeliwa. m Setninańurn-Szczyrk , ref. l O, s. l [5] Guzik E., Asłanowicz M., Kluk R: Krzepnięcie metali i stopów PAN, Oddział Katowice. 1995, 22, s [6) Guzik E. : Krzepnięcie metali i stopów PAN, Oddział Katowice. 1997, 33, s [7] Katalog firmowy SKW Giesserei - Technik GMBH. Trostberg. [8) Rotella J., Mickelson R: Transactions ofthe American Foundrym.en's Society. 99, 1991, s [9) Caims R : The Foundrym.an. 9, 1992, s