BADANIA STRUKTURALNE ŻELIWA ADI W TRANSMISYJNYM MIKROSKOPIE ELEKTRONOWYM

Transkrypt

1 34/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN BADANIA STRUKTURALNE ŻELIWA ADI W TRANSMISYJNYM MIKROSKOPIE ELEKTRONOWYM STRESZCZENIE M. KACZOROWSKI 1, D. MYSZKA 2 Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW ul. Narbutta 85, Warszawa, W pracy przedstawiono wyniki badań strukturalnych żeliwa ADI (ang. Austempered Ductile Iron) z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej TEM (ang. Transmission Electron Microscopy). Celem badań była obserwacja struktury w nanoskali, w szczególności otrzymanie podstawowej informacji czy rzeczywiście osnowa żeliwa ADI składa się z mieszaniny ferrytu austenitu i ewentualnie pewnej ilości martenzytu, czy też zawiera również ultradyspersyjne węgliki, których ujawnienie metodami klasycznej metalografii jest niemożliwe. W rezultacie szczegółowych obserwacji przeprowadzonych z wykorzystaniem techniki cienkich folii ustalono, że w osnowie znajdują się drobne wydzielenia koherentne z osnową, które mogą dawać istotny wkład w umocnienie. Key words: ADI, structure 1. WPROWADZENIE Wśród odlewniczych stopów Fe-C żeliwo ADI jest obecnie jednym z najbardziej badanych tworzyw, a powodem tego są unikalne własności, znacznie przewyższające te, oferowane przez najlepsze gatunki zwykłego żeliwa z grafitem kulkowym. Dowodem olbrzymiego zainteresowania tym tworzywem są specjalistyczne konferencje poświęcone żeliwu ADI, z których ostatnia odbyła się w USA we wrześniu 2002 roku [1], a także dość liczne informacje w internecie [2]. Z wyjątkiem jednej pracy [3], we wszystkich opracowaniach dotyczących żeliwa ADI, osnowę metalową uznaje się jako złożoną z mieszaniny ferrytu bainitycznego i austenitu, obok których czasami występuje 1 prof. dr hab. inż., wip.pw.edu.pl 2 mgr inż.,

2 267 martenzyt, zwłaszcza wówczas, gdy hartowanie izotermiczne przeprowadza się w stosunkowo niskiej temperaturze. Powyższe znajduje odzwierciedlenie na wykresach, z których jeden pokazano na rys.1. Analizują ten wykres łatwo zauważyć, iż dla określonych parametrów hartowania izotermicznego żeliwo ADI może zawierać znaczą ilość austenitu, która może dochodzić nawet do 40%. Obecność austenitu w takiej ilości jest spowodowana jego stabilizacją wskutek silnego przesycenia węglem, wtłaczanego przez igły ferrytu bainitycznego, wzrastające podczas hartowania izotermicznego. Zdaniem niektórych badaczy, przesycenie to może sięgać nawet nieco powyżej 2%, co zresztą stwierdzili autorzy niniejszego opracowania. Obecność tak znacznej ilości austenitu w osnowie, który krys talizuje w sieci RSC, a zatem ma 12 systemów łatwego poślizgu nie pozostawia wątpliwości co do tego, że to właśnie on decyduje o własnościach plastycznych, które są tym większe im większy jest jego udział. Otwartą pozostaje kwestia co jest powodem tak dużych własności wytrzymałościowych, których miarą może być R m osiągająca 1600MPa, a nawet nieco więcej? Klasyczne obserwacje metalograficzne są w tym względnie mało przydatne, gdyż nawet przy powiększeniu x1000 czy x1500 są w stanie ujawnić cząstki co najwyżej o wielkości dziesiątych części mikrometra, podczas gdy wielkość cząstek Rys. 1. Udział poszczególnych faz w osnowie żeliwa ADI w funkcji czasu hartowania izotermicznego w przedziale temperatury o C [4] Fig. 1. The share of particular phases in the ADI matrix as an austempering time funcion in the temperature range of C [4] silnie umacniających wydzieleniowo jest na ogół o rząd wielkości mniejsza. O ile metoda obserwacji w TEM jest znana od bardzo dawna i często stosowana w badaniach procesów wydzieleniowych w stopach metali nieżelaznych i stali, o tyle w odniesieniu do żeliwa stosuje się ją niezmiernie rzadko. Powodem są olbrzymie trudności związane z uzyskaniem preparatów oraz niemniej kłopotliwe obserwacje w TEM, wynikające z właściwości ferromagnetycznych żeliwa. Tym niemniej badania takie są prowadzone i jak stwierdzili autorzy niniejszej pracy osnowa żeliwa ADI jest rzeczywiście zbudowana z mieszaniny ferrytu i austenitu. Obie fazy charakteryzują się znacznym zdefektowaniem czego dowodem są liczne dyslokacje. Wydaje się jednak mało prawdopodobne, żeby tak silne umocnienie wynikało tylko z silnego przesycenia austenitu węglem, dużej gęstości dyslokacji oraz dużego udziału granic ziaren. Fakt ten stał się bezpośrednim powodem podjęcia badań strukturalnych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym.

3 MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ W badaniach wykorzystano niskostopowe żeliwo z grafitem sferoidalnym zawierające: 3.65%C, 2.25%Si, 0.18%Mn, 1.52%Ni, 0.8%Cu oraz 0.2%Mo. Odlewy były hartowane izotermicznie celem uzyskania żeliwa ADI. Hartowanie obejmowało austenityzację przez 120 minut w temperaturze 900 o C i chłodzeniu izotermicznym w temperaturze: 260, 300 i 360 o C przez czas 90 i 120 minut. Z odlewów pobrano próbki do badań własności mechanicznych oraz strukturalnych. Pierwsze z nich obejmowały badania na maszynie wytrzymałościowej Instron 1115 i pomiary twardości, drugie zaś obserwacje metalograficzne, oraz w TEM. Badania metalograficzne przeprowadzono na zgładach sporządzonych tradycyjnie metoda szlifowania i polerowania na urządzeniu f-my Struers. Obserwacje elektronomikroskopowe przeprowadzono na próbkach w postaci cienkich folii. W tym celu z odlewów wytoczono pręty o średnicy 3mm, z których następnie wycięto plasterki o grubości 0.1mm. Celem lokalizacji cienkich obszarów, części środkowe plasterków były poddane tzw. dimplowaniu na urządzeniu f-my GATAN, a następnie polerowaniu jonowemu.. Obserwacje elektronomikroskopowe przeprowadzono w mikroskopie Philips EM 300 wyposażonym w goniometr umożliwiający pochy lanie próbek w zakresie kątowym 45 o i pracującym przy napięciu przyspieszającym 100kV. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Badania metalograficzne Obserwacje metalograficzne przeprowadzono na mikroskopie Olympus IX70. Wyniki badań zamieszczono na rys.2. Jak widać na zdjęciach mikroskopowych (rys.2), mikrostruktura osnowy metalowej jest typowa dla żeliwa ADI i składa się z igieł ferrytu bainitycznego oraz obszarów austenitu, którego udział zwiększa się ze wzrostem temperatury hartowania izotermicznego. Co najważniejsze, nigdzie nie stwierdzono obecności węglików. Taki wynik obserwacji metalograficznych nie jest zaskoczeniem, mimo zastosowania największego powiększenia użytecznego. Wynik ten potwierdza tezę, iż powodem traktowania osnowy metalowej żeliwa ADI jako ausferrytyczną są właśnie wyniki obserwacji metalograficznych.

4 269 a b c Rys. 2. Mikrostruktura osnowy żeliwa ADI po hartowaniu izotermicznym przez 90 minut w temperaturze: a 260 o C, b 300 o C i c- 360 o C. (Powiększenie x1500) Fig. 2. Matrix microstructure of ADI austempered throught 90min. in the temperature: a 260 o C, b 300 o C i c- 360 o C. (Powiększenie x1500) 3.2. Wyniki obserwacji w TEM Ze oczywistych względów w tym punkcie zostaną przedstawione tylko nieliczne mikrografie elektronowe, wybrane spośród wielu zarejestrowanych podczas obserwacji w TEM. Pierwsze z nich zamieszczono na rys.3a, na którym widać igły (listwy) ferrytu rozmieszczone w postaci równoległych pakietów. Na rys.3a i b pokazano dwa przykład struktury po hartowaniu w temperaturze 260 o C, z których pierwsze ilustruje typowy obraz obserwowany przy stosunkowo małym powiększeniu (x15.000), podczas gdy na drugim pokazano zbliźniaczoną listwę martenzytu, tym razem przy bardzo dużym powiększeniu x

5 270 a. b. c. d. Rys. 3. Mikrografie elektronowe struktury żeliwa ADI po hartowaniu przez 90 minut w temperaturze: a 260 o C (x ), b 260 o C (x ), c 300 o C (x ) oraz d o C (x ) Fig. 3. Electon micrography of the ADI austempered throught 90min. in the temperature: a 260 o C (x ), b 260 o C (x ), c 300 o C (x ) oraz d o C (x ) Dowodem obecności bardzo cienkich mikrobliźniaków jest silne rozciągnięcie refleksów na obrazie dyfrakcji elektronowej, w kierunku prostopadłym do ich najmniejszych wymiarów (grubości) [5]. Nawet bardzo wnikliwe studiowanie obrazów mikroskopowych nie ujawnia obecności węglików w osnowie, nawet w żeliwie hartowanym izotermicznie w temperaturze 360 o C. Zważywszy na dużą rozdzielczość mikroskopu elektronowego, którą w tym wypadku można szacować na nie mniejszą niż 2nm, można było pokusić się na obserwacje negatywów powiększając je elektronicznie co też uczyniono. Do tego celu wybrano kilka zdjęć o najwyższej jakości. Jedno z nich zamieszczono na rys.4 wraz z odpowiednio zorientowanym zdjęciem dyfrakcji elektronowej. Analiza elektronogramu wskazuje, iż osnowa zawiera ziarna zarówno ferrytu jak i austenitu, czego dowodem są refleksy typu 110 od ferrytu oraz 111 od austenitu, widoczne jako najsilniejszy rząd refleksów w głównym szeregu.

6 271 a. 200nm b. Wydzielenie 30nm Rys. 4. Mikrografia elektronowa struktury żeliwa ADI hartowanego izotermicznie przez 90 minut w temperaturze 260 o C: a całość x , b wybrany fragment powiększony 6 razy (powiększenie sumaryczne ok razy) Fig. 4. Electon micrography of the ADI austempered throught 90min. in the temperature 260 o C: a all x , b chose fragment (6 times grater)

7 272 Pierwsze z nich, jakkolwiek są położone blisko siebie, można rozróżnić w miejscu pokazanym strzałką. Na rys 4b zamieszczono powiększone elektronicznie obraz jednego z obszarów z rys.4a. Na rys.4b można stwierdzić występowanie kontrastu odkształceniowego [5], który można zinterpretować jako spowodowany obecnością wydzieleń sprzężonych z osnową. Jedno z takich kilku wydzieleń widocznych na mikrografii elektronowej zaznaczono za pomocą strzałki na rys.4b. 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Ze względu na ograniczoną ilość miejsca przeanalizowano jedynie rezultaty obserwacji w TEM. Przytoczone mikrografie elektronowe dość jednoznacznie wskazują na to, iż osnowa metalowa żeliwa ADI hartowanego izotermicznie 90 min. nawet w najniższej temperaturze równej 260 o C zawiera, obok podstawowych faz jakimi są ferryt i austenit, również martenzyt (rys.3b) i ultradyspersyjne sferoidalne wydzielenia o średniej wielkości ok.5-8nm (rys.4b). Jakkolwiek, ze względu na bardzo małą wielkość, nie udało się ich zidentyfikować to jednak są to najprawdopodobniej węgliki. Wydzielenia te są rozmieszczone najczęściej na granicach ziaren ferryt austenit i w późniejszym etapie pełnią rolę zarodków dla wydzieleń węglików Fe 3 C wzrastających w postaci płytek w ziarnach ferrytu bainitycznego [6]. Jeśli rozważyć procesy zachodzące podczas hartowania izotermicznego żeliwa można domniemywać, iż powodem tworzenia węglików jest wzrost stężenie węgla w austenicie na granicy międzyfazowej ferryt austenit. W efekcie zawartość węgla na granicy osiąga pozom przekraczający maksymalną (nierównowagową) rozpuszczalność w austenicie, a tym samym jego nadmiar może doprowadzić do zarodkowania i wzrostu drobnych wydzieleń węglikowych. Taki model powstawania węglików jest wielce prawdopodobny i równocześnie wyjaśnia znaczne umocnienie żeliwa, obok pozostałych mechanizmów umacniania. LITERATURA [1] [2] [3] Kaczorowski M., Kozubowski J.A.: Proc.9th Int.Conf.Electron Microscopy of Solids, Zakopane, 6-9 May 1996, p.499. [4] Dymski S.: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, ATR, Bydgoszcz [5] Thomas G., Goringe M.J.: Transmission electron microscopy, A Wiley- Interscience Publ. J. Wiley & Sons Inc., New York, [6] Utievskij L.M.: Difrakcjonnaja Elekronnaja Mikroskopija w Metalovedenii, Izd. Metallurgija, Moskva, 1973.

8 273 THE STUDY OF ADI IN TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE SUMMARY The results of TEM investigation of ADI were presented. The aim of these investigations was to study the structure of ADI matrix, especially looking for the carbides which we suspected should appear in metallic matrix, and were not discovered yet using conventional metallography observations. On the basis of very careful observations it was concluded that except ferrite, austenite and some martensite grains, very small coherent spherical precipitates were found the size of which was approximately 5nm. Recenzował Prof. Marian Perzyk