BADANIA ŻELIWA Z GRAFITEM KULKOWYM PO DWUSTOPNIOWYM HARTOWANIU IZOTERMICZNYM Część I

Transkrypt

1 13/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN BADANIA ŻELIWA Z GRAFITEM KULKOWYM PO DWUSTOPNIOWYM HARTOWANIU IZOTERMICZNYM Część I M. KACZOROWSKI 1), A. KRZYŃSKA 2) Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych Politechnika Warszawska ul. Narbutta 85, Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań własności mechanicznych i struktury odlewów z żeliwa z grafitem kulkowym, poddanych dwustopniowemu hartowaniu izotermicznemu w złożu fluidalnym. Ustalono, iż metoda dwustopniowego hartowania izotermicznego umożliwia uzyskanie materiału o dobrej kombinacji własności wytrzymałościowych i plastycznych, jakkolwiek okazały się one dalekie od oczekiwanych. Przede wszystkim stwierdzono, iż złoże fluidalne nie jest ośrodkiem o własnościach termofizycznych na tyle dobrych, by zapewnić chłodzenie z wystarczającą prędkością próbek o module 4mm oraz, że rozkład temperatury w przestrzeni pieca fluidalnego nie gwarantuje otrzymania powtarzalnych wyników. 1. WPROWADZENIE Na temat żeliwa ADI napisano już wiele, np. [1-2], jako że jest to niewątpliwie jedno z największych osiągnięć w dziedzinie tworzyw odlewniczych. Nie ma konferencji odlewniczej, na której nie byłoby wygłoszonych przynajmniej kilka referatów na jego temat. Pomijając, zatem obszerne wprowadzenie na temat jego zalet wypada podać kilka faktów bezpośrednio odnoszących się do genezy niniejszej pracy. Żeliwo ADI jest niewątpliwie materiałem o wyjątkowym skojarzeniu własności wytrzymałościowych i plastycznych. Bardzo dużą wytrzymałość uzyskuje się w wyniku hartowania izotermicznego w stosunkowo niskiej temperaturze, podczas gdy dużym 1) Prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski - prof. zw., wip.pw.edu.pl 2) Dr inż. Anna Krzyńska adiunkt 123

2 wydłużeniem charakteryzuje się żeliwo hartowane izotermicznie w odpowiednio wyższej temperaturze. Jest kuszącą próba poszukiwania takiego sposobu hartowania izotermicznego, które zapewniłoby jeszcze lepszą kombinację wytrzymałości i plastyczności. Nie jest tajemnicą, iż fazą nieodłącznie towarzyszącą żeliwu ADI o bardzo dużej wytrzymałości jest martenzyt, podczas gdy własności plastyczne rosną wraz ze wzrostem udziału austenitu co ukazuje rys.1. Rys.1. Związek pomiędzy wydłużeniem a temperaturą hartowania izotermicznego oraz ilością austenitu stabilizowanego węglem [3] Fig.1. The relationships between elongation and the austempering temperature and the amount of carbon stabilized austenite [3] Stąd pomysł dwustopniowego hartowania izotermicznego, które obejmowałoby dwa etapy. Celem pierwszego byłoby uniemożliwienie powstania martenzytu przez doprowadzenie do przesycenia austenitu węglem do tego stopnia, by temperatura przemiany austenitu przechłodzonego w martenzyt była odpowiednio nisko. Jeśli tak, to hartowanie powinno być prowadzone w stosunkowo wysokiej temperaturze, lecz w miarę krótko. Celem drugiego etapu hartowania było dokończenie przemiany przez obniżenie temperatury, która wymusiłaby przemianę austenitu przechłodzonego w drobnodyspersyjny ferryt, ale nie w martenzyt. Badania takie zostały zapoczątkowane w ubiegłym roku a ich wstępne wyniki zostały zaprezentowane na konferencji [4, 5]. Warto nadmienić, iż hartowaniem dwustopniowym zajmowali się również Rouns i Rudman, którzy stwierdzili, iż taka zmodyfikowana obróbka cieplna przyczynia się do wzrostu udarności żeliwa ADI. 124

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ W badaniach wykorzystano żeliwo sferoidalne gatunku o składzie chemicznym: 3.62%C, 2.37%Si, 0.27%Mn, 0.039%P, 0.008%S, 0.03%Cr, 0.02%Ni, 0.9%Cu oraz 0.048%Mg. Odlewy doświadczalne YII wykonano w Odlewni PZL WOLA. Z części prostopadłościennej każdego odlewu wycięto po dwie próbki pięciokrotne o średnicy w części pomiarowej d = 8mm do badań na maszynie wytrzymałościowej. Wszystkie próbki były poddane obróbce cieplnej, która została przeprowadzona w IMP w Warszawie. Obróbka cieplna obejmowała austenityzację przez 60 minut w temperaturze 900 o C, po której próbki były hartowane izotermicznie w złożu fluidalnym. Jeden zestaw próbek, traktowany jako wzorcowy był hartowany jednostopniowo w temperaturze T 1 = 275 o C przez czas 60, 120 i 180 minut oraz w temperaturze T 2 = 350 o C przez czas 10 i 30 minut. Zadaniem hartowania jednostopniowego, które nieprzypadkowo przeprowadzono w temperaturze 275 i 350 o C, było uzyskanie swego rodzaju wzorców dla żeliwa hartowanego dwustopniowo. Drugi zastaw próbek podano dwustopniowemu hartowaniu izotermicznemu obejmującemu hartowanie wpierw 10 i 30 minut w temperaturze T I = 350 o C i bezpośrednio po nim hartowanie w temperaturze T II = 275 o C przez czas 60 i 120 minut. Obrobione cieplnie próbki były badane na maszynie wytrzymałościowej celem wyznaczenia wytrzymałości na rozciąganie R m, umownej granicy plastyczności R 0.2 oraz wydłużenia A 5, przy czym dla każdego wariantu obróbki cieplnej wykorzystano po 3 próbki. Obok badań na maszynie wytrzymałościowej wykonano badania twardości zarówno HB jak i HRC. Badania własności mechanicznych uzupełniono obserwacjami mikrostruktury. Do badań wykorzystano próbki wycięte z części chwytowej próbek wytrzymałościowych w taki sposób, że powierzchnia zgładu była prostopadła do ich osi. Próbki były wpierw inkludowane w żywicy epoksydowej, a następnie szlifowane na papierach ściernych o malejącej wielkości ziarna. Ostatecznie powierzchnie próbek polerowano na tarczy filcowej zwilżanej wodną zawiesiną tlenku glinu, wykorzystując do tego celu urządzenie f-my Struers. W dalszej kolejności powierzchnie zgładów trawiono za pomocą 5% roztworu HNO 3 w C 2 H 5 OH w celu ujawnienia mikrostruktury. 125

4 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Wyniki badań własności mechanicznych Wyniki badań twardości Wyniki badań twardości zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki badań twardości HB Table 1. The results of hardness measurements Parametry obróbki cieplnej I stopień II stopień HB śr T [ o C] t [min] T [ o C] t [min] Materiał surowy Jak można było oczekiwać, największą twardość uzyskały próbki hartowane izotermicznie w temperaturze 275 o C (tabela 1). Dwustopniowe hartowanie izotermiczne żeliwa z grafitem sferoidalnym doprowadziło również do zwiększenia twardości, która oscyluje jednak w pobliżu twardości otrzymanych dla żeliwa sferoidalnego hartowanego jednostopniowo w temperaturze 350 o C. 126

5 Badania na maszynie wytrzymałościowej ARCHIWUM ODLEWNICTWA Wyniki badań na maszynie wytrzymałościowej zamieszczono w tabeli 2. Tabela 2. Wyniki badań na maszynie wytrzymałościowej Table 2. The results of mechanical testing Parametry obróbki cieplnej Własności mechaniczne I stopień II stopień śr R m śr R 0.2 śr A 5 T [ o C] t [min] T [ o C] t [min] [MPa] [MPa] [%] Materiał surowy Porównanie wartości R m oraz R 0.2 z odpowiednimi wartościami dla żeliwa surowego wskazuje, że obróbka cielna spowodowała co prawda wzrost wytrzymałości na rozciąganie oraz umownej granicy plastyczności, ale własności żeliwa po hartowaniu dwustopniowym nie są lepsze od otrzymanych po jednostopniowym hartowaniu izotermicznym w temperaturze 350 o C. 127

6 3.2. Wyniki badań strukturalnych Badania strukturalne przeprowadzono na mikroskopie metalograficznym OLYMPYUS IX-70, przy powiększeniu od 100 do 1500 razy. W tej części pracy pokazano jedynie zdjęcia mikrostruktury typowej dla hartowania dwustopniowego (rys.2). Bardziej szczegółowe omówienie badań strukturalnych, badań uzupełniających oraz ich omówienie zamieszczono w drugiej części. a b c d Rys.2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego: 10 min. w T 1 = 275 o C, a następnie w T 2 = 350 o C: a 60 i b 120 minut, oraz 30 minut w T 1 = 275 o C a następnie w T 2 = 350 o C: c 60 i d 120 minut (pow. x1500) Fig.2. Microstructure of ductile iron after two stage austempering: first 10 minutes at 275 o C and then at 350 o C: a 60 and b 120 minutes, and 30 minutes at 275 o C and then at 350 o C: c 60 and d 120 minutes (magnification x1500) 128

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie dwustopniowo (rys.2) jest co najmniej zaskakująca, z wyjątkiem pokazanej na rys.2c. Na pozostałych trzech rys.2a,b i d) trudno doszukać się oznak budowy iglastej lub listwowej, charakterystycznej dla ausferrytu, stanowiącego osnowę metalową żeliwa ADI. Ten nieoczekiwany rezultat jest opisany w części drugiej artykułu, przytaczającej obszerniej wyniki badań struktury i poświęconej przede wszystkim wyjaśnieniu niepowodzenia metody dwustopniowego hartowania izotermicznego. 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ I WNIOSKI Badania własności mechanicznych żeliwa hartowanego jednostopniowo w temperaturze 275 i 350 o C, miały za zadanie dostarczenie informacji stanowiących swego rodzaju punkt odniesienia dla żeliwa hartowanego dwustopniowo w identycznych warunkach (piec, ośrodek), o tym samym składzie chemicznym oraz o identycznej mikrostrukturze żeliwa wyjściowego. Jak należało oczekiwać, hartowanie niskotemperaturowe doprowadziło do uzyskania żeliwa ADI o wysokich własnościach wytrzymałościowych i umiarkowanym wydłużeniu. Z kolei rezultatem hartowania izotermicznego w temperaturze 350 o C (wysokotemperaturowe) jest żeliwo o większej plastyczności i wyraźnie mniejszej wytrzymałości R m, R 0.2 i twardości (tabela 1 i 2). Własności wytrzymałościowe tego samego wyjściowego żeliwa sferoidalnego, po dwustopniowym hartowaniu izotermicznym są nieco niższe w porównaniu do uzyskanych w wyniku jednostopniowego hartowania izotermicznego w temperaturze 350 o C przy porównywalnym wydłużeniu. Autorzy nie ukrywają, że taki wynik był dla nich nie tylko zaskoczeniem ale również trudny do interpretacji. Dopiero szczegółowe obserwacje strukturalne, których wyniki zamieszczono w części II pracy, umożliwiły wyjaśnienie niepowodzenia, a wyniki dodatkowego eksperymentu uzupełniającego potwierdziły jakościowo możliwość wpływania na własności plastyczne poprzez dwustopniowe hartowanie izotermiczne. LITERATURA [1] Dymski S.: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, ATR, Bydgoszcz 1999 [2] The Sorelmetall Book of Ductile Iron, Rio Tinto Iron & Titanium Inc., Montreal, Quebec, Canada (2004) [3]. [4] Kaczorowski M., Krzyńska A., Myszka D.: Własności mechaniczne żeliwa sferoidalnego po dwustopniowym hartowaniu izotermicznym, Archiwum Odlewnictwa, PAN, v.4 (2004), s [5] Kaczorowski M., Krzyńska A., Psoda M.: Badania strukturalne żeliwa sferoidalnego po dwustopniowym hartowaniu izotermicznym, Archiwum Oldewnictwa, PAN, v. 4 (2004) s

8 THE STUDY OF TWO-STAGE AUSTEMPERED DUCTILE IRON PART I SUMMARY The results of mechanical properties and structure investigations of fluid bed two stage austempring of ductile iron castings are presented. It was concluded, that the method of two stage austempering allowed to produce the material exhibiting good strength and ductility, however these were far from authors expectations. As a first we concluded that fluid bed thermal properties were not sufficient to secure the quenching intensity high enough for ductile iron casting o volume to surface ratio (modulus) equal 4 mm. Apart from this we concluded, that the temperature distribution in the space of fluid bed furnace we used for isothermal quenching of ductile iron casting did not warranty the reproducible results. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 130