BADANIA NAD WYTWARZANIEM ŻELIWA NISKOALUMINIOWO CHROMOWEGO Z GRAFITEM ZWARTYM

Transkrypt

1 110/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN BADANIA NAD WYTWARZANIEM ŻELIWA NISKOALUMINIOWO CHROMOWEGO Z GRAFITEM ZWARTYM M.S. SOIŃSKI 1, Ł. KUKLA 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Katedra Odlewnictwa, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań struktury żeliwa zawierającego około 3% aluminium i około 1% chromu, obrabianego mieszanką cerową dodaną w ilościach od 0,11% do 0,33% i modyfikowanego żelazokrzemem. W próbkach o średnicy 20 i 30 mm wystąpiły wydzielenia grafitu wermikularnego i kulkowego. Osnowa żeliwa była ferrytyczno perlityczna. Nie stwierdzono występowania zabieleń. Key words: cast iron, aluminium, chromium, compact graphite 1. WSTĘP Do podstawowych pierwiastków wprowadzanych do żeliwa w celu podwyższenia jego żaroodporności należą aluminium, chrom i krzem. Zawartość pierwszego z wymienionych pierwiastków w żeliwie może dochodzić do około 30%. Mimo, że temperatura eksploatacji odlewów wzrasta ze zwiększeniem zawartości aluminium w stopie, znaczna uwaga kieruje się ku żeliwu niskostopowemu, w którym obok aluminium występują ewentualnie inne dodatki stopowe. Przykładem mogą być prace, w których określono oddziaływanie aluminium w ilościach do około 5% i chromu w ilościach do około 3% na właściwości technologiczne [1] oraz mechaniczne i fizyczne żeliwa z grafitem płatkowym [2]. W zależności od zawartości obu rozpatrywanych pierwiastków w żeliwie zmienia się jego wytrzymałość na rozciąganie 1 dr hab. inż., prof. PCz 2 mgr inż. 165

2 oraz wytrzymałość na zgniatanie w klinach [3]. Żeliwo niskoaluminiowo chromowe z grafitem płatkowym wykazuje dobra odporność na utlenianie w temperaturach do około C [4]. Zmiana postaci wydzieleń grafitu w żeliwie z płatkowej na kulkową i/lub wermikularną oddziaływuje korzystnie nie tylko na właściwości mechaniczne stopu, ale także prowadzi do podwyższenia jego żaroodporności. W przypadku występowania w żeliwie aluminium, uzyskanie kulkowych wydzieleń grafitu jest bardzo utrudnione, ponieważ pierwiastek ten przeciwdziała sferoidyzacji grafitu [5 8]. Z badań wykonanych w pracy [8] wynika, że to niekorzystne oddziaływanie aluminium związane jest z podwyższaniem się, przy występowaniu tego dodatku w żeliwie, maksymalnej temperatury krystalizacji eutektyki TS. 2. BADANIA WŁASNE W nawiązaniu do wcześniejszych badań nad sferoidyzacją nadeutektycznego żeliwa niskoaluminiowo krzemowego [8] oraz podeutektycznego żeliwa niskoaluminiowego [9], za celowe uznano określenie możliwości uzyskania zwartych, w tym kulkowych, wydzieleń grafitu, w żeliwie niskoaluminiowo chromowym. Przyjęto, że poddane badaniom żeliwo będzie zawierać około 3% aluminium i około 1% chromu. Założono, że stosowana do obróbki żeliwa mieszanka cerowa zostanie dodana do stopu, w trakcie kolejnych wytopów, odpowiednio w ilościach 0,11%; 0,22% i 0,33% (optymalna ilość mieszanki cerowej w przypadku sferoidyzacji nadeutektycznego żeliwa niskoaluminiowo krzemowego wynosiła 0,11% [8]). Uznano, że stosowany do modyfikacji grafityzującej żelazokrzem 75% (o nazwie handlowej Foundry Grade 75) zostanie użyty we wszystkich przypadkach w ilości uznanej za najbardziej skuteczną w badaniach nad sferoidyzacją żeliwa niskoaluminiowo krzemowego [8], tzn. 1,3%. Żeliwo wyjściowe wytapiano w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości w tyglu wykonanym z masy szamotowo grafitowej. Jako podstawowego wsadu metalowego użyto specjalnie przygotowany złom żeliwny, nie zawierający pierwiastków desferoidyzujących. Jego skład chemiczny był następujący: C = 3,35%; Si = 3,13%; Mn = 0,17%; P = 0,041%; S = 0,018%; Mg = 0,006%. Każdy wytop rozpoczynał się od załadowania na dno tygla żelazochromu (o zawartości ok. 70% Cr), a następnie złomu żeliwnego w postaci kawałków prętów o średnicy 30 mm. Po roztopieniu metalu żeliwo przegrzewano do temperatury około C i przetrzymywano w niej około 4 minuty. Następnie ściągano żużel i pod lustro metalu wprowadzano podgrzane uprzednio aluminium, umocowane na pręcie stalowym. Kąpiel starannie mieszano, ponownie ściągano żużel i do tygla dodawano w odstępach czterominutowych odpowiednią ilość mieszanki cerowej oraz żelazokrzemu. Po każdej z tych operacji kąpiel starannie mieszano i usuwano żużel. Po upływie 4 minut od modyfikacji grafityzującej metal odlewano wprost z pieca do form piaskowych (na szkle wodnym) i kokilki mosiężnej (w ten sposób pobierano zabieloną próbkę do 166

3 analizy składu chemicznego metodą spektrometryczną). Z każdego wytopu odlewano dwie próby prętowe o średnicach 20 i 30 mm. Zawartość podstawowych pierwiastków w wytapianym żeliwie mieściła się w następujących granicach: C = 2,73 2,83%; Si = 3,52 3,55%; Mn = 0,16 0,17%; P = 0,032 0,035%; S = 0,022 0,023%; Al = 3,33 3,43%; Cr = 1,01 1,05%. Współczynnik nasycenia eutektycznego wyznaczony ze wzoru [10]: S C CC = 4, 25 0,3 Si 0,33P + 0,027Mn 0, 40S + 0,063Cr 0, 22Al (1) gdzie: C C całkowita zawartość węgla w żeliwie, %, Si, Mn, P itd całkowita zawartość w żeliwie Si, Mn, P itd, %, mieścił się w granicach od 1,08 do 1,14. Badania metaloznawcze wytopionego żeliwa przeprowadzono na próbkach wyciętych z odlanych prętów. Oceny osnowy dokonano zgodnie z normą PN-75/H : Żeliwo szare, sferoidalne i ciągliwe. Badania metalograficzne. Określanie mikrostruktury, a badania cech wydzieleń grafitu wykonano zgodnie z normą PN-EN ISO 945: Żeliwo. Określenie cech wydzieleń grafitu (tab. 1). Mikrostrukturę żeliwa pokazano na rysunku 1. Tabela 1. Ocena osnowy metalowej badanego żeliwa oraz cech wydzieleń grafitu Table 1. Assessment of the examined cast iron metal matrix and graphite precipitates characteristics Nr wytopu Ilość Charakterystyka Charakterystyka wydzieleń grafitu w próbce użytej osnowy metalowej w φ 20 mm φ 30 mm mieszanki próbce cerowej, % φ 20 mm φ 30 mm kształt wielkość kształt wielkość 1 0,11 2 0,22 3 0,33 Fe55 Fe55 Fe55 P20 III 7 III 5 Fe80 VI 7 IV 6 III 6 III 6 IV 7 Fe55 V 7 VI 6 III 5 III 5 Fe55 V 6 VI 6 Ocenę skuteczności zabiegów obróbki żeliwa, w odniesieniu do kształtu wydzieleń grafitu, oparto o wyniki badań przeprowadzonych za pomocą komputerowego analizatora obrazu (Leica Quantimet 570 Color, współpracujący z mikroskopem Metaplan 2). Posługując się wskaźnikiem kształtu F, obliczanym dla każdego wydzielenia grafitu jako iloraz jego powierzchni i kwadrat obwodu, określono rozkład powierzchni zajętej przez grafit w klasach wskaźnika kształtu. Wskaźnik F (wyznaczany w opisany sposób) przyjmuje wartości: dla koła 0,0796; dla kwadratu 167

4 0,0625; dla trójkąta równobocznego 0,0480. Zazwyczaj przyjmuje się, że wydzielenia wermikularne cechują się wskaźnikiem F przyjmującym wartości od 0,02 0,03 do 0,05 0,06. Wydzielenia grafitu uznaje się najczęściej za sferoidalne, jeśli charakteryzują się wartościami F większymi od 0,05 0,06; w pracy [8] jako wartość graniczną przyjęto 0, próbki φ 20 mm próbki φ 30 mm Rys. 1. Mikrostruktura żeliwa pochodzącego z wykonanych wytopów; żeliwo obrobione mieszanką cerową dodaną do żeliwa w ilościach: 1 0,11%; 2 0,22%; 3 0,33%. Zgłady trawione nitalem, pow. 400x Fig. 1. Microstructure of cast iron from the carried out heats; cast iron treated with cerium mischmetal added in quantities: 1 0,11%; 2 0,22%; 3 0,33%; microsections etched with Nital, magn. 400x 168

5 W tabeli 2 zestawiono wielkości powierzchni zajmowanych w badanym żeliwie przez wydzielenia grafitu o współczynnikach kształtu F mieszczących się w kilku przyjętych przedziałach. Tabela 2. Powierzchnie zajmowane przez wydzielenia grafitu o współczynnikach kształtu F w przyjętych przedziałach, wyznaczone jako udziały procentowe w całkowitych powierzchniach zajętych przez wydzielenia grafitu Table 2. Area occupied by graphite precipitates of the shape factor F within the subsequent particular ranges, determined as the percentage of the total area occupied by graphite precipitates Wiersz Przedział współczynnika kształtu F Powierzchnia zajmowana przez wydzielenia grafitu (%) w żeliwie pochodzącym z wytopu nr * Próbki φ 20 mm Próbki φ 30 mm F < 0,02 62,7 58,0 71,9 56,6 61,8 65,1 2 0,02 F < 0,06 35,1 40,0 27,2 42,3 37,2 33,8 3 F 0,06 2,2 2,0 0,9 1,0 1,0 1,1 4 F 0,04 12,5 12,9 7,2 17,5 10,4 10,4 * oznaczenia zgodne z tabelą 1 Wartości podane w wierszu 2 tabeli 2 są miarą stopnia wermikularyzacji żeliwa (η werm. ), a w wierszu 3 stopnia jego sferoidyzacji, przy przyjęciu wartości krytycznej F 0,06 ( η sf ). Aby umożliwić porównanie wyników przeprowadzonych badań np. z wynikami prac [8, 9] podano także stopień sferoidyzacji grafitu przy założeniu, że wartość krytyczna F 0,04 ( ; wiersz 4 w tabeli 2). PODSUMOWANIE η sf Obróbka żeliwa zawierającego około 3% aluminium i około 1% chromu mieszanką cerową dodaną w ilościach 0,11 0,33% oraz późniejsza modyfikacja grafityzująca żelazokrzemem (wprowadzonym w ilości 1,3%) prowadzi do eliminacji ze stopu wydzieleń grafitu płatkowego (patrz rys. 1 oraz tab. 1). Po obróbce grafit wystąpił w postaci zwartych wydzieleń, w znacznym stopniu wermikularnych, w znacznie mniejszym sferoidalnych. Nie można mówić o istotniejszym związku pomiędzy ilością dodanego miszmetalu cerowego (w rozpatrywanych granicach), a stopniem wermikularyzacji, czy też sferoidyzacji grafitu w badanym żeliwie niskoaluminiowo chromowym (tab. 2). Uzyskany w badaniach maksymalny stopień sferoidyzacji grafitu (w granicach 12 18%) jest około trzykrotnie niższy od maksymalnego stopnia sferoidyzacji grafitu w przypadku obróbki miszmetalem cerowym żeliwa niskoaluminiowokrzemowego (około 40 50%; [1]). η sf 169

6 Żeliwo niskoaluminiowo chromowe obrobione mieszanką cerową i żelazokrzemem cechowało się osnową ferrytyczno perlityczną (patrz dane w tabeli 1). W żadnej z badanych próbek nie stwierdzono występowania zabieleń. Wydaje się, ze w przypadku odlewów o niewielkich grubościach ścianek (w granicach mm) wystarczające jest użycie do obróbki żeliwa dla uzyskania zwartych wydzieleń grafitu mieszanki cerowej w ilościach 0,1 0,2%. LITERATURA [1] M.S. Soiński, T. Wachelko, A. Nowak: Einfluss von Aluminium und Chrom auf die technologischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit. Giessereitechnik, vol. 33, 1987, nr 6, s [2] M.S. Soiński, T. Wachelko, A. Nowak: Einfluss von Aluminium und Chrom auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit. Giessereitechnik, vol. 33, 1987, nr 9, s [3] M.S. Soiński, A. Nowak: Anwendbarkeit der Keildruckprüfung bei niedriglegierten Al-Cr-Gusseisen. Giesserei Praxis 1987, nr 21, s [4] M.S. Soiński, J. Siedlecka, E. Siedlecka: Przyczynek do badań żaroodporności żeliwa niskoaluminiowo chromowego. Ochrona przed Korozją, 2003, Nr 11s/A, s [5] Ju.G. Bobro: Aljuminievye čuguny. Izd. Charkovskovo Univ. Charkov [6] C. Podrzucki, C. Kalata: Metalurgia i Odlewnictwo Żeliwa. Wyd. Śląsk, Katowice [7] J. Piaskowski, A. Jankowski: Żeliwo sferoidalne. WNT, Warszawa [8] M.S. Soiński: Sferoidyzacja żeliwa niskoaluminiowo krzemowego mieszanką cerową. W: Prace Naukowe Wydziału Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Częstochowskiej, Metalurgia, Nr 22, [9] M.S. Soiński, K. Grzesiak: Badania nad wytwarzaniem podeutektycznego żeliwa niskoaluminiowego z grafitem zwartym. Archiwum Odlewnictwa, r. 4, 2004, nr 11, s [10] Poradnik Inżyniera. Odlewnictwo. WNT, Warszawa INVESTIGATIONS CONCERNING PRODUCTION OF LOW-ALUMINIUM- -CHROMIUM CAST IRON WITH COMPACT GRAPHITE SUMMARY The work presents the results of structural examinations of cast iron containing about 3% of aluminium and about 1% chromium, treated with cerium mischmetal added in the amount of 0,11 0,33% and modified with ferrosilicon. Vermicular and nodular graphite were found in 20 and 30 mm diameter specimens. The metal matrix was pearlite ferritic. As-cast carbides weren t found. Recenzował: Prof. Zbigniew Stradomski 170