Zastosowanie żeliwa białego na odlewy motoryzacyjne 2

Transkrypt

1 Małgorzata Trepczyńska-Łent 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Zastosowanie żeliwa białego na odlewy motoryzacyjne 2 Wymagania dotyczące oszczędności paliwa w pojazdach, zwiększanie osiągów silnika oraz zmniejszenie poziomu szkodliwości emisji spalin stanowią wyzwanie dla konstruktorów i stosowanych przez nich materiałów. W miarę jak poprawia się infrastruktura sieci dróg i zwiększa się konieczność zapewnienia transportu towarów, od konstruktorów wymaga się zaprojektowania nowoczesnych, wysokosprawnych pojazdów, które mogłyby transportować większe masy ładunków przy optymalnym zużyciu paliwa. Wiele części samochodów osobowych, ciężarowych oraz ciągników wykonanych jest z żeliwa. Spełniają one różne funkcje. Stawia im się specjalne wymagania eksploatacyjne głównie odporność na zużycie ścierne oraz odporność na działanie wysokiej i niskiej temperatury. Do najważniejszych takich części zalicza się kadłuby, głowice, tuleje cylindrowe, pierścienie tłokowe, wały korbowe, korbowody, wałki rozrządu, korpusy sprężarek doładowujących, bębny i tarcze hamulcowe i wiele innych. Zmieniające się wymagania dotyczące mocy i prędkości pojazdów pobudzają do poprawy jakości żeliwa oraz doskonalenia konstrukcji wykonywanych z niego części. Żeliwo białe jest materiałem, który w szczególny sposób jest predestynowane do zastosowań na odlewy motoryzacyjne ze względu na właściwości. Cel pracy Celem artykułu jest przedstawienie zastosowania żeliwa białego na odlewy motoryzacyjne. Żeliwo to znakomicie spełnia zadania stawiane tego typu odlewom, przede wszystkim ze względu na eksploatację pojazdów. Możliwości kształtowania składników fazowych w strukturze białego żeliwa stopowego umożliwiają wytwarzanie istotnych własności użytkowych. Szczególnie duże znaczenie ma wykorzystanie dużej odporności na ścieranie tego żeliwa. Stopy odlewnicze odporne na ścieranie Lane stopy odporne na ścieranie, można ogólnie uszeregować według malejącej odporności następująco: żeliwo białe z dużą zawartością chromu, żeliwo białe martenzytyczne ze średnią zawartością dodatków stopowych, żeliwo białe podeutektyczne, żeliwo martenzytyczne o średniej i dużej zawartości węgla, staliwo austenityczne manganowe, niskostopowe staliwo perlityczne i staliwo niskowęglowe. Najlepszą odpornością na ścieranie charakteryzują się gatunki żeliwa z duża zawartością chromu i najczęściej z dodatkiem molibdenu o mikrostrukturze martenzytycznej. W dotychczas opracowanych stopach żelaza odpornych na ścieranie, podstawowymi fazami mikrostruktury są węgliki pierwiastków przejściowych (głównie chromu) rozmieszczone w osnowie martenzytu i austenitu. Oprócz mikrotwardości węglików ważny jest ich udział, kształt, wielkość i rozmieszczenie. Wymaga się, aby wydzielenia węglikowe miały dużą dyspersję, równomierne rozmieszczenie, były izolowane od siebie osnową oraz dobrze utwierdzone w osnowie metalowej. Konkretnym warunkom ścierania w różnych urządzeniach odpowiada określona mikrostruktura stopów. Jej ustalenie możliwe jest jedynie na drodze eksperymentalnej. W oparciu o dotychczasowe prace 1 dr inż. M. Trepczyńska-Łent, adiunkt, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Instytut Technik Wytwarzania. 2 Artykuł recenzowany.

2 w tym zakresie można przyjąć za ogólną zasadę, że budowa strukturalna żeliwa białego powinna być wielofazowa i koniecznie makroskopowo jednorodna [1]. Odlewy żeliwne odporne na ścieranie w zależności od postaci występowania węgla w warstwie roboczej można podzielić na dwie grupy: odlewy z żeliwa szarego bądź połowicznego oraz odlewy z żeliwa białego. Odlewy z żeliwa białego uzyskuje się przy szybszym chłodzeniu niż z szarego. W żeliwie białym fazę węglikową może stanowić w zależności od składu chemicznego cementyt lub węglik typu M 7 C 3. Osnowa w pierwszym przypadku może być perlityczna lub martenzytyczna. W drugim przypadku w zależności od obróbki cieplnej: perlityczna, martenzytyczna lub austenityczna. Odlewy ze średniostopowego żeliwa niklowo-chromowego charakteryzuje struktura martenzytyczno-ledeburytyczna [2, 3]. Struktura i właściwości stopowego żeliwa białego Żeliwo białe perlityczno-ledeburytyczne może być niestopowe (rys.1a,b) lub niskostopowe. Pierwiastki stopowe takie jak do 2% Cr, do 1,5% Ni, do 0,5% Mo mają na celu zwiększenie twardości perlitu. Taką strukturą charakteryzują się odlewy utwardzone powierzchniowo [2]. Rys. 1a,b. Perlityczno-ledeburytyczna struktura niestopowego żeliwa białego odpornego na ścieranie. Źródło:[4]. Chrom jest ważnym pierwiastkiem stopowym stosowanym w żeliwie białym. Ma on silne własności węglikotwórcze w zależności od zawartości węgla i składu chemicznego stopu. W żeliwie o zawartości chromu powyżej 8% uzyskano wydzielenia typu M 7 C 3 w postaci płytek, włókien lub postaci zwartej, rozmieszczonych w osnowie austenitu lub produktach jego przemiany. Ze względu na morfologię fazy węglikowej żeliwa te różnią się od żeliwa białego ledeburytycznego. Eutektyka żeliwa ledeburytycznego składa się bowiem z osnowy cementytowej i wydzieleń produktów austenitu (np. perlitu). Własności plastyczne stopowego żeliwa białego są zatem lepsze, większa jest jego odporność na pękanie, gdyż zależy ona od plastycznej osnowy. W żeliwie białym można wyróżnić następujące typy węglików: a) M 7 C 3 gdzie M stanowi zazwyczaj chrom i żelazo (rys.2a), b) M 3 C gdzie M stanowi Fe (cementyt) lub (Fe,Mn) (izomorficzny cementyt)(rys.1b), c) M 2 C gdzie M jest molibdenem (rys.2a), d) M 23 C 3 przy czym M jest chromem i żelazem gdy stosunek zawartości chromu do węgla jest duży.

3 Zazwyczaj, kiedy więcej niż jeden pierwiastek łączy się z węglem powstają twarde węgliki. Często żelazo wspólnie z chromem tworzy kompleksowy węglik (Fe,Cr) 7 C 3. Pierwiastki takie jak wanad i niob mogą być także użyte jako pierwiastki stopowe tworząc węgliki bardziej złożone [3, 5]. Rys. 2. Obraz mikroskopowy SEM a) węglików M 7 C 3 oraz M 2 C oraz b) drobnych płytkowych węglików M 2 C i kulkowych węglików MC w żeliwie białym. Źródło:[ 6]. Badając żeliwo białe stopowe Fe-Cr-C-V poddano je głębokiemu trawieniu. Obraz struktury, wykonany na mikroskopie skaningowym SEM, pokazano na rysunku 3a,b. Widać na nim pojedyncze węgliki M 7 C 3 o kształcie włókien lub ostrzy. Ostrza te składają się w zasadzie z wielu włókien (rys.3b). Duża liczba długich włókien węglika rozmieszczona jest w koloniach eutektycznych równolegle do osi wzdłużnej (rys.3a). Patrząc prostopadle do kierunku ich wzrostu, węgliki M 7 C 3 w obrębie kolonii eutektycznych są bardzo drobnymi włóknami w środku eutektyki, ale w miarę oddalania się od niego stają się grubsze (rys.3b) [7]. Rys. 3. Morfologia węglików M 7 C 3 w głęboko trawionym żeliwie białym Fe-Cr-C-V zawierającym 3,28% V, SEM. Źródło: [7]. Rysunek 4(a d) przedstawia strukturę odlewów stopowego żeliwa białego o różnej zawartości wolframu. Składa się ona głównie z pierwotnych heksagonalnych węglików M 7 C 3 oraz węglików eutektycznych w osnowie austenitu a także niewielkiej ilości martenzytu. Na rysunku 4c widać duże ziarna dendrytyczne austenitu pierwotnego wynikające z podeutektycznego składu chemicznego tego żeliwa.

4 Zwiększenie stężenia wolframu w składzie chemicznym żeliwa spowodowało rozrost węglików oraz zwiększenie nierówno-mierności ich rozmieszczenia w osnowie stopu. Podobne wyniki obserwowane w literaturze były skutkiem oddziaływania tytanu i wolframu [8]. c) d) Rys. 4. Struktura odlewów żeliwnych z różną zawartością wolframu: a) 0% W, b) 1,03% W, c) 1,97% W, d) 2,75% W. Źródło: [8]. Ważne jest, aby skład chemiczny żeliwa białego był optymalny ze względu na zawartość chromu, jednocześnie zachowując istotne właściwości użytkowe. Dlatego stosuje się dodatek tytanu, nawet w małych ilościach, gdyż ma on duże powinowactwo do węgla i gazów (O 2, N 2 ). Powstające węgliki i węglikoazotki tytanu oddziaływają jako faza utwardzająca. Kompleksowy dodatek Cr+Ti pozwala uzyskać minimalną ilość wtrąceń niemetalicznych w osnowie żeliwa. Strukturę żeliwa białego ze zróżnicowaną zawartością chromu i tytanu: 1,17% Cr i 0,01% Ti oraz 5,03% Cr i 0,2% Ti pokazano na rysunku 5(a,b) [9]. Rys. 5. Struktura odlewów żeliwnych, x600: (a) 1,17% Cr, 0,01% Ti (b) 5,03% Cr, 0,2% Ti Źródło: [9].

5 Struktura chromowego żeliwa białego podlega przemianom podczas obróbki cieplnej. W przypadku wyżarzania żeliwa o zawartości 30% Cr i 2,3% C [10] powstały podwójne węgli eutektyczne składające się z rdzenia M 7 C 3 w otoczce węglika M 23 C 6, co pokazano na rysunku 6. Rys. 6. Struktura węglików eutektycznych w żeliwie zawierającym 30% Cr -2,3% C, TEM. Źródło: [10]. Odlewy motoryzacyjne z żeliwa białego Ważnym warunkiem prawidłowej pracy silnika spalinowego tłokowego jest szczelne oddzielenie przestrzeni nad tłokiem (komory spalania) od przestrzeni pod tłokiem (skrzyni korbowej). Szczelność tego układu zapewniają pierścienie tłokowe. Wykonywane są one niemal wyłącznie z żeliwa, ponieważ materiał ten spełnia wymagania dotyczące dużej odporności na zużycie ścierne, regulowania wartości modułu sprężystości, odpowiedniej wytrzymałości, trwałości właściwości mechanicznych, prostej technologii i niskich kosztów wytwarzania. Zwiększenie odporności pierścieni na zużycie przy ścieraniu w warunkach wysokiej temperatury i zwiększonego ciśnienia uzyskuje się nadając im strukturę żeliwa połowicznego przez wprowadzenie pierwiastków stopowych doprowadzając do powstania w strukturze żeliwa wydzieleń cementytu izomorficznego. Wysokie wymagania stawia się krzywkom wałków rozrządu stosowanych w silnikach wysokoprężnych z uwagi na duże wartości prędkości kątowej, bezpośrednie przełożenie oraz krótkie odcinki czasu otwierania i zamykania zaworów połączone ze zwiększonym ich skokiem. Prowadzi to do tzw. ostrych wałków rozrządu tj. do stromych wzniosów i stosunkowo dużych wartości pochylenia krzywki. Bardzo dobre wyniki eksploatacyjne wykazują wówczas wałki rozrządu z krzywkami utwardzanymi powierzchniowo przez lokalne zastosowanie ochładzalników w formach odlewniczych. Uzyskuje się w ten sposób warstwę o strukturze ledeburytycznej (eutektyka cementytowa), która osadzona jest na rdzeniu o strukturze żeliwa szarego o dużej zdolności do tłumienia drgań. Stwierdzono, że o odporności krzywek na zużycie decyduje nie tylko twardość powierzchniowa lecz także dyspersja ledeburytycznej warstwy powierzchniowej. Im większe rozmiary składników struktury eutektyki cementytowej (w miarę oddalania się od powierzchni) tym bardziej zmniejsza się odporność na zużycie. W porównaniu z krzywkami hartowanymi indukcyjnie (struktura martenzytyczna), krzywki z warstwami ledeburytycznymi wykazują dodatkową zaletę. Mogą one współpracować z dowolnymi typami popychaczy. Z krzywkami wałków rozrządu współpracują półki dźwigni zaworów. Charakteryzują się one warstwą o strukturze perlityczno-ledeburytycznej, wykonywane jako odlewy powierzchniowo utwardzone. Strukturę taką otrzymuje się w wyniku zakładania ochładzalników do wnęk form odlewniczych [2].

6 Podsumowanie Żeliwo białe stopowe jest materiałem, którego strukturę można kształtować dobierając skład chemiczny oraz stosując obróbkę cieplną. Pierwiastki chemiczne, szczególnie chrom, nikiel, molibden, wolfram i wanad tworzą twarde węgliki. Odpowiedni dobór stężenia tych pierwiastków gwarantuje właściwy udział i wielkość węglików. Można także kształtować ich dyspersję i równomierność rozmieszczenia w osnowie, co jest pożądane ze względów eksploatacyjnych. Przedstawione w artykule struktury żeliwa białego dokumentują różnorodność chemiczną i morfologiczną powstających węglików. Prowadzone są badania, które dotyczą właściwego określenia składu chemicznego żeliwa białego stopowego. Mają one na celu powiązanie stężenia pierwiastków, budowy strukturalnej i własności użytkowych otrzymywanych stopów. Część tych badań zmierza w kierunku stworzenia optymalnych własności żeliwa białego, w celu wykorzystania na odlewy motoryzacyjne o zwiększonej odporności na zużycie. Streszczenie Celem artykułu jest przedstawienie możliwości doboru składu chemicznego żeliwa białego i kształtowanie struktury tego materiału. Różnorodność występujących węglików i rozmieszczenie ich w osnowie żeliwa, daje możliwości otrzymania własności pożądanych dla części motoryzacyjnych. Prezentowane dane potwierdzają zależność między składem chemicznym żeliwa białego stopowego a jego własnościami eksploatacyjnymi. Słowa kluczowe: żeliwo białe, skład chemiczny, struktura, odlewy motoryzacyjne Abstract The use of white iron for automotive castings The aim of this article is to present the possibilities of selection of the chemical composition of white cast iron and forming a material structure. Diversity and distribution of carbides present in the matrix of iron, gives the possibility of obtaining the required properties for automotive parts. Conducted data confirm the relationship between the chemical composition of the alloy white cast iron and its exploitation properties. Key words: white cast iron, chemical composition, structure, automotive castings LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Rzadkosz S., Staszczak L., Mikrostruktura i właściwości stopów na łopatki rzutowe oczyszczarek strumieniowo ściernych, IX Konferencja Odlewnicza TECHNICAL, 2006, s [2]. Podrzucki Cz., Żeliwo. Struktura właściwości zastosowanie, Wydawnictwo ZG STOP, Kraków, tom II, 1991, s [3]. Jiyang Z., Colour metallography of cast iron. Chapter 5 White cast iron, China Foundry, 2009, s [4]. Abrasion resistant, white cast iron materials. Technical Information No. 11, CLAAS GUSS GmbH, [5]. Huggett P., Ben-Nissan B., Development of low melting point white cast iron for use in composite alloy manufacture, Materials Forum Volume 31, 2007, s. 16. [6]. Matsubara Y., Wu H.Q., Sasaguri N., Solidification of multi-alloyed white cast iron: type and morphology of carbides, AFS Transactions 104, 1996, s

7 [7]. Filipovic M., Kamberovic Z., Korac M., Solidification of high chromium white cast iron alloyed with vanadium, Materials Transactions, vol. 52, no. 3, 2011, s [8]. Yezhe L., Yufu S., Jingyu Z., Guangwen Y., Jingjie S., Sumeng H., Effect of tungsten on microstructure and properties of high chromium cast iron. Materials and Design 39, 2012, s [9]. Matveeva M.O., Effect of chromium and titanium on structure and properties of white cast iron, Metallurgical and Mining Industry, vol.2, no. 1, 2010, s [10]. Wiengmoon A., Chairuangsri T., Brown A., Brydson R., Edmonds D.V., Pearce J.T.H., Microstructural and crytallographical study of carbides in 30wt.%Cr cast irons, Acta Materialia, vol. 53, 2005, s