WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ASPEKCIE STEREOLOGII GRAFITU KULKOWEGO

Transkrypt

1 48/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katoice PL ISSN WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ASPEKCIE STEREOLOGII GRAFITU KULKOWEGO M. TREPCZYŃSKA-ŁENT 1 Katedra Inżynierii Materiałoej, Wydział Mechaniczny Akademia Techniczno-Rolnicza, ul. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Podczas austenityzoania żelia sferoidalnego, grafit kulkoy płya na n a- sycenie i ujednorodnienie roztoru γ. Szczególnie oddziałują cechy ydzieleń grafitu oraz rozmieszczenie kulek osnoie. Przeproadzono analizę zagadnień dotyczących płyu stereologii grafitu kulkoego na łaściości mechaniczne żelia. Key ords: spheroidal graphite, ductile iron, mechanical properties, heat treatment 1. WPROWADZENIE Żelio sferoidalne znalazło szerokie zastosoanie jako materiał konstrukcy j- ny. Posiada boiem szeroki zakres łaściości mechanicznych, które można także kształtoać poprzez obróbkę cieplną. Aby żelio mogło być stosoane jako dostępny materiał techniczny, ażna jest znajomość jego łaściości ytrzymałościoych. Właściości te, są ściśle zależne od struktury żelia. Dlatego istotne jest poznanie płyu ilości i ielkości ydzieleń grafitu oraz jego rozmieszczenia osnoie [1]. 2. WPŁYW ILOŚCI GRAFITU KULKOWEGO NA OBRÓBKĘ CIEPLNĄ ŻELIWA Ilość i ielkość kulek grafitu płya znacząco na efekty obróbki cieplnej żelia sferoidalnego. Podczas hartoania z przemianą izotermiczną zaobseroano zależność temperatury oraz czasu trania przystanku izotermicznego od ilości kulek grafitu. Przeproadzono badania dla żelia sferoidalnego z zaartością 0,2% Mn oraz 1 dr inż., trema@atr.bydgoszcz.pl 377

2 0,4%Cu. Po austenityzoaniu temperaturze 900 o C, temperatury przemiany izotermicznej ynosiły 290, 340 i 390 o C. W przypadku dużej liczby kulek grafitu, ynoszącej 250 kulek/mm 2, okno przemiany było yraźnie iększe niż dla mniejszej liczby kulek 100 kulek/mm 2. Zależność ta została przedstaiona na rysunku 1 [3]. Pojęcie okna przemiany (procesu) jest bardzo istotne dla omaianej obróbki cieplnej, ponieaż przy jego pomocy możliy jest optymalny dobór parametró proc e- su celu otrzymania ausferrytycznego żelia z grafitem kulkoym ADI. Rys.1. Wpły liczby kulek grafitu na okno procesu (przemiany)" [3] Fig.1. Influence of value graphite nodules on processing indo [3] Aby uzyskać założone łaściości żelia sferoidalnego po hartoaniu z przemianą izotermiczną należy zmniejszyć stopień mikrosegregacji. Można zatem ziększyć stopień dyspersji poprzez ziększenie zaartości niklu i miedzi. Warunkiem praidłoości uzyskanych efektó jest ziększona liczba ydzieleń grafitoych [4]. 3. WPŁYW ROZMIARU GRAFITU KULKOWEGO NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA W STANIE LANYM Zaobseroano możliość otrzymyania ysokiego poziomu łaściości mechanicznych R m do 1000 MPa, R m0,2 do 600 MPa przy ydłużeniu do 20% dla żelia sferoidalnego stanie lanym. Proadziło do tego proadzenie miedzi jako składnika stopoego oraz odpoiedni dobór struktury materiałó sadoych. Ze zrostem udziału złomu staloego (ponad 30%) i złomu obiegoego strukturze żelia obse r- oano die grupy ielkości ydzieleń grafitu. Zmniejszenie szybkości stygnięcia ziększało te różnice. Stierdzono, że podójny charakter ydzieleń grafitu jest jednym z arunkó otrzymania ysokiego poziomu łaściości mechanicznych żeliie sferoidalnym po pełnej perlityzacji. Wysoka koncentracja Cu hamoała zrost grafitu [5]. 378

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA A ŚREDNICA GRAFITU KULKO- WEGO Na ytrzymałość zmęczenioą żelia płya przede szystkim kształt i rozmiary ydzieleń grafitu, zaś charakter rozmieszczenia tych ydzieleń yiera pod tym zględem znacznie mniejszy pły [7]. T. Shiota i S. Komatsu zaobseroali, że redukcja średnicy kulek grafitu p o- oduje zmniejszenie ielkości ziaren ferrytu i poiększenie ytrzymałości zmęczenioej. I. Niimi stierdził, że spadek ytrzymałości zmęczenioej jes t proporcjonalny do zrostu ielkości kulek grafitu, ale nie zmienia się, gdy średnica kulki jest iększa od 40μm bez zględu na strukturę osnoy. M. Sofue rozpatryał łasności zmęczenioe ferrytu i chłodzonego/odpuszczonego żelia. Stierdził, że ytrzymałość zmęczenioa ziększyła się raz ze zrostem tardości osnoy, osiągając artość około 500 HV. Granica ytrzymałości zmęczenioej zmniejszyła się rónież raz ze zrostem ielkości ziarna. J.F. Janoak zauażył, że ytrzymałość zmęczenioa ziększa się raz ze zrostem tardości osnoy, zaartości perlitu oraz liczby kulek grafitu [8]. W pracy [9] także analizoano charakterystykę i zachoanie grafitu kulkoego żeliie pod płyem działania ielokrotnych cyklicznych obciążeń. Y. Tanaka i inni [8] badali ytrzymałość zmęczenioą jednego gatunku żelia sferoidalnego dla czterech średnic kulek grafitu od 12,2 do 51,4 μm, stanie lanym oraz po obróbce cieplnej: ulepszaniu cieplnym oraz hartoaniu z przemianą izote rmiczną (uzyskano osiem struktur osnoy). Na tak przygotoanych żelinych próbkach przeproadzono próby zmęczenioe. Zbadano zależność pomiędzy ytrzymałością zmęczenioą a ielkością kulek grafitu, tardością osnoy i ytrzymałością na ro z- ciąganie. Pęknięcia zmęczenioe zapoczątkoyane były głónie na granicy międzyfazoej grafit/osnoa, prostopadle do cyklicznego kierunku zgięcia. Sugeruje to, że żeliie sferoidalnym ytrzymałość zmęczenioa jest zależna od morfologii grafitu. Wydzielenia grafitu można rozpatryać jako pory osnoie żelia. Na rysunku 2 przedstaiono rozkład naprężeń okół kulki grafitu pod płyem działania naprężenia rozciągającego σ. W punkcie A ystępuje spiętrzenie naprężeń, zaś maksymalne naprężenie uzyskuje artość róną 3σ. Dlatego yniku skupienia naprężeń yołanych przez grafit kulkoy zapoczątkoane zostaje pęknięcie na granicy międzyfazoej grafit/osnoa [8]. Nie stierdzono jednak zależności ielkości naprężeń od średnicy grafitu. Prędkość zrostu pęknięcia jest opisyana rónaniem Paris a. Wynika z niego, że iększa średnica kulka grafitu poinna poiększyć spółczynnik intensyności n a- prężeń oraz prędkość zrostu pęknięcia, co proadzi do obniżenia ytrzymałości zmęczenioej. W przeproadzonych badaniach zaobseroano, że pęknięcie zmęczenioe nie zasze było zapoczątkoyane od iększych kulek grafitu. Spostrzeżono także pęknięcia zapoczątkoane od mniejszych kulek grafitu oraz osnoie [8]. 379

4 Rys.2. Rozkład naprężeń okół grafitu kulkoego [8] Fig.2. Stress distribution to circular holes [8] Sformułoano następujące rónania określające ziązek pomiędzy ytrzymałością zmęczenioą a średnicą kulki grafitu: - dla żelia hartoanego i odpuszczonego: 0.63 ( r = 0,98 ) (1) 0.62 ( r = 0,97 ) (2) 5924 d 2055 d - dla żelia hartoanego z przemianą izotermiczną: 0.29 ( r = 0,97 ) (3) 0.35 ( r = 0,91 ) (4) 1348 d 1066 d - dla żelia stanie lanym: 0.46 ( r = 0,98 ) (5) 0.32 ( r = 0,98 ) (6) 2287 d 668 d - dla żelia stanie yżarzonym: 0.19 ( r = 0,99 ) (7) 0.23 ( r = 0,99 ) (8) 551 d 458 d gdzie d jest maksymalną średnicą kulki grafitu ( m); d jest średnią średnicą grafitu ( m). Pomiędzy d i d ystępuje korelacja, dlatego ytrzymałość zmęczenioa może być przeidyana albo poprzez d albo d. Ponieaż złamania zmęczenioe zaczynają się od iększego grafitu, ytrzymałość zmęczenioa może być dokładniej przeidziana poprzez d. Jak ynika z rysunku 3, gdy maksymalna ielkość grafitu żeliie hartoanym i odpuszczanym zmniejsza się do około 30 m (lub 6 m dla średniej średnicy) to jego ytrzymałość zmęczenioa będzie podobna do tej, którą posiada stal (około 690 MPa). Maksymalna średnica trąceń stali ynosi boiem około 30 m. 380

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.3. Wpły tardości osnoy i średnicy kulek grafitu na ytrzymałość zmęczenioą ż e- lia sferoidalnego [8] Fig.3. Influence of the matrix hardnesses and the spheroidal graphite diameter on fatigue limit of ductile cast irons [8] Wytrzymałość zmęczenioa żelia sferoidalnego zależy od ielkości kulki grafitu. Rónież, pły ytrzymałości zmęczenioej na średnicę kulki jest iększy, gdy osnoa jest tardsza. Pęknięcie zmęczenioe zapoczątkoyane jest od iększych kulek, ale tylko poniżej poierzchni innych kulek. Popraę ytrzymałości zmęczenioej można osiągnąć przez zmniejszanie średnicy kulki do takiego rozmiaru jak tylko to możlie [8]. 5. BADANIE UDARNOŚCI M. Hafiz badał łaściości mechaniczne żelia sferoidalnego zależności od składu osnoy. Jednym z najbardziej znaczących spostrzeżeń było zaobseroanie unikalnego zachoania grafitu kulkoego i jego kładu do procesu złamania. Ścieżka złamania rozprzestrzeniała się dookoła steroidó grafitu, które pozostaały nietknięte soich nękach. Zjaisko to potierdzają inni badacze. W żeliie o osnoie ferrytyczo-perlitycznej złamanie rozchodziło się zdłuż ścieżki, która łączyła jak najiększą ilość kulek grafitu. Przy czym omijała ona strukturę perlitu na ile to było możlie. Ścieżka złamania była kontroloana przez początkoą dekohezję grafitu kulkoego i mikropęknięcia na granicy grafit/osnoa. Tak ięc, rozmieszczenie grafitu kulkoego narzuca przebieg ścieżki propagacji najniższej energii [6]. A.R Ghaderi i inni badali pły morfologii grafitu na łaściości trybologiczne żelia po hartoaniu z przemianą izotermiczną. Żelio sferoidalne, żelio szare oraz z grafitem ermikularnym poddano obróbce cieplnej tych samych aru n- kach. Próba udarności ykazała, że dla żelia sferoidalnego uzyskano yniki od 2 do 5 381

6 krotnie iększe niż dla pozostałych gatunkó. Wskazuje to na istotne znaczenie morfologii grafitu kulkoego na efekty hartoania z przemianą izotermiczną [2]. 6. PODSUMOWANIE Przedstaiony przegląd literatury śiadczy o istotnym płyie stereologii grafitu kulkoego na łaściości mechaniczne żelia sferoidalnego. Zagadnienie to należy poddać dalszej analizie badaczej. LITERATURA [1] Dix L.P.i in.: Statische mechanische Eigenschaften von dunnandigen Gussstucken aus Gusseisen mit Kugelgraphit. Giesserei-Praxis. 10, [2] Ghaderi A.R., Nili Ahmadabadi M., Ghasemi H.M.: Effect of graphite morphologies on the tribological behavior of austempered cast iron._ 14th International Conference on Wear of Materiale 255, , [3] Herfurth K.: Austenitisch-ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit. Teil 1: Austenitisierung. Giesserei-Praxis. 3, [4] Koalski A.: Rola krzemu, niklu i miedzi kształtoaniu struktury i łasności żelia ADI. Biuletyn Instytutu Odlenicta nr 1, [5] Krest janov V.I.: O niektórych arunkach otrzymyania żelia z grafitem kulkoym o ysokich łaściościach mechanicznych stanie lanym. Litejnoe Proizvodstvo nr 1, [6] Hafiz M.: Mechanical properties of SG-iron ith different matrix structure. Journal of Materials Science, nr 36 ( ), [7] Podrzucki Cz.: Żelio. Struktura, łaściości, zastosoanie. Wydanicto ZG STOP, Krakó [8] Tanaka Y., Yang Z., Miyamoto K.: Evaluation of fatique limit of spheroidal graphite cast iron. Materiale Transaction, JIM, nr 6, [9] Vechet S., Svejcar J.: Wytrzymałość zmęczenioa żelia sferoidalnego i mechanizm postaania pęknięć zmęczenioych. Slevarenstvi nr 11-12, SUMMARY MECHANICAL PROPERTIES OF DUCTILE CAST IRON IN STEREOLOGY ASPECT OF SPHEROIDAL GRAPHITE Spheroidal graphite on saturation and homogenizing of γ solution during au s- tenitization ductile cast iron influences. Especially influence features of exhalations of graphite and distribution of spheroids in matrix. One passed analysis of problems of relating influence stereology of spheroidal graphite on mechanical properties of ductile cast iron. Recenzoał: prof. z. dr hab. inż. Edard Guzik 382