STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI

Transkrypt

1 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI M. KACZOROWSKI 1 Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki systematycznych badań właściwości mechanic z- nych oraz strukturalnych standardowego żeliwa z grafitem sferoidalnym gatunku , poddanego hartowaniu izotermicznemu przez różny czas w temperaturze T= 275, 325 i 350 o C. W wyniku badań ustalono, że materiał charakteryzuje się złożoną mikrostrukturą iglastą, charakterystyczną dla żeliwa ADI. Key words: ADI, microstructure, properties 1. WPROWADZENIE Na temat żeliwa ADI (ang. Austempered Ductile Iron) napisano już wiele dlatego nie warto się już powtarzać. Wiadomo, że charakteryzuje się ono unikalną kombinacją dużej wytrzymałości i ciągliwości. Mimo to, w wielu krajach a w Polsce na pewno nie doczekało się ono pozycji na jaką zasługuje. By nie tracić cennego miejsca, a jednocześnie przekonać sceptyków o możliwościach tego unikalnego tworzywa warto posłużyć się niemal szokującym rysunkiem, który można znaleźć w internecie [1]. 1 Prof. dr hab. inż. - Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW, ul. Narbutta 85, Warszawa, wip.pw.edu.pl 149

2 Rys.1. Porównanie masy piasty samochodu ciężarowego, wykonanej ze stopu Al. oraz z ADI [1] Fig. 1. Comparison of the hub truck, one made of Al alloy and the second of ADI [1] By dodatkowo przekonać o przyszłości stopów żelaza, odwołam się do referatu nt: Nadchodzi nowa epoka żelaza, wygłoszonego przeze mnie na Politechnice Częst o- chowskiej z okazji Dnia Odlewnika, aczkolwiek dotyczył on głownie żeliwa z grafitem zwartym a nie żeliwa ADI. Nie poszerzając tej części pracy wypada jednak uzasadnić jej cel. Otóż, o ile na temat własności mechanicznych wiadomo na tyle dużo, by materiał ten znalazł się w normach ASTM czy DIN czy, o tyle na temat struktury zdania są co najmniej podzielone. Jedni zamiennie używają określenia żeliwo bainityczne żeliwo ADI, inni oburzają się słysząc takie porównanie. Tak naprawdę nie wiadomo jaka jest osnowa met a- lowa żeliwa ADI? Wiadomo, że osnowa może być mieszaniną ferrytu, austenitu, a nawet pewnej ilości martenzytu a nawet węglików, zależnie od stopnia zaawansowania przemiany rozpadu austenitu przechłodzonego [2]. Cenną pozycją w tym względzie jest monografia Dymskiego [3], której przytacza szereg informacji na temat kształtowania struktury żeliwa podczas przemiany izotermicznej. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań wytypowano standardowe (niestopowe) żeliwo z grafitem kulkowym gatunku Do badań wykorzystano odlewy próbne w postaci wałków o średnicy 30 mm. Z odlewów wycięto mini-próbki do badań wytrzymałościowych o długości l = 80 mm i średnicy w części pomiarowej 4 mm. Próbki były austenityzowane przez 60 min w temperaturze T a = 900 o C, a następnie hartowane izotermicznie w oleju silikonowym przez czas t hi = 15, 30, 45, 90 i 180 min. (T hi = 275 i 325 o C) lub t hi = 15,45 i 90 min. (T hi = 350 o C). Po obróbce cieplnej część pomiarowa próbek była szlifowana w celu usunięcia naddatku po 0.5 mm na stronę, który miał zabezpieczać je przed o d- węgleniem podczas obróbki cieplnej. W dalszej kolejności próbki poddano badan iom własności mechanicznych, które obejmowały badania na maszynie wytrzymałościowej 150

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Instron 1115 celem wyznaczenia R m, R 0.2 oraz pomiary twardości HB. Następnie wykonano obserwacje metalograficzne oraz elektronomikroskopowym w skaningowym SEM (ang. Scanning Electron Microscope) i transmisyjnym TEM (ang. Transmission Electron Microscope) mikroskopie elektronowym. Pierwsze z nich wykonano na zgładach metalograficznych sporządzonych tradycyjnie, które obserwowano za pomocą mikroskopu f-my Olympus IX 70.przy zastosowaniu powiększeń od x500 do x1000, koncentrując się głównie na metalowej osnowie. Przedmiotem obserwacji w SEM były powierzchnie przełomów próbek, zerwanych na maszynie wytrzymałościowej. Do o b- serwacji w TEM wykorzystano, tzw. cienkie folie sporządzone metodą polerowania jonowego. Podczas badań w TEM wykorzystano techniki jasnego i ciemnego pola a także mikrodyfrakcję z wybranych fragmentów badanych obszarów. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Badania własności mechanicznych Wyniki badań własności mechanicznych podano w tabeli 1. Każda z wartości podanych w tablicy dotycząca badań na maszynie wytrzymałościowej jest średnią z wyników z trzech pomiarów. Wyniki badań twardości są średnią co najmniej 12 p o- miarów, spośród których dwa skrajne odrzucono zaś pozostałe obrobiono statystycznie podając odchylenie standardowe. W ostatniej kolumnie tabeli 1 podano stosunek umownej granicy plastyczności do nominalnej wytrzymałości na rozciąganie, która może być pomocny przy interpretacji zjawisk, jakie dokonały się w materiale podczas hartowania izotermicznego. Tabela 1. Wyniki badań własności mechanicznych Table.The result of mechanical testing Parametry hartowania R m R m A 10 Thi [ o C] t hi [min] [MPa] [MPa] [%] HB śr R 0.2 /R m \

4 3.2. Wyniki badań strukturalnych Wyniki badań metalograficznych Na rys.2 pokazano tylko dwa spośród wielu zdjęć wykonanych dla żeliwa z grafitem sferoidalnym na poszczególnych etapach przemiany austenitu przechłodzonego. a b Rys.2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie 15 minut w temperaturze: a 275 o C, b 350 o C(zgłady trawione Nitalem; powiększenie x 500) Fig.2. The microstructure of ductile iron isothermaly quenched 15 min at temperature: a 275 o C and b 350 o C Na obu zdjęciach jest widoczna charakterystyczna mikrostruktura iglasta, jakkolwiek różnią się one nieco między sobą. Różnice polegają przede wszystkim na tym, że w wypadku T hi = 350 o C, są widoczne specyficzne pakiety igieł bądź listew Wyniki obserwacji w SEM Na rys.3. pokazano typowe przełomy żeliwa hartowanego izotermicznie, które ukazują charakterystyczne kratery typowe dla przełomów transkrystalicznych materiałów o znacznej ciągliwości. O ile, na przełomach klasycznego żeliwa sferoidalnego, nawet ferrytycznego o wydłużeniu 15% i więcej obserwuje się płaszczyzny łupliwości {100}, o tyle obecność kraterów świadczy o występowaniu fazy o sieci RSC odznaczającej się duża liczbą systemów poślizgu o najgęstszym upakowaniu przez atomy [4]. W tym wypadku fazą taką może być tylko przesycony węglem austenit. 152

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a b Rys.3. Morfologia powierzchni przełomu żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie przez czas 15 min. W temperaturze: a 275 o C i b 350 o C. Fig. 3. The morphology of fracture surface of ductile iron austempered 15 min. at the temperature: a 275 o C and b 350 o C Obserwacje w TEM Na rys.4 pokazano przykłady struktury żeliwa sferoidalnego hartowanego izote r- micznie 15 minut (rys.4a,b) i 180minut (rys.4c,d) w temperaturze 275 o C. a b 153

6 c d Rys.4. Przykłady struktury żeliwa sferoidalnego hartowanego 15minut w temperaturze 275 o C.: a x , b x , oraz 180 minut: c x i d x 30,000 Fig.4. The structure of ductile iron austempered 15 min. at 275 o C: a x , b x , and 180 min.: c x i d x 30,000 Z kolei na rys.5 zamieszczono mikrografie elektronowe struktury żeliwa z grafitem kulkowym hartowanego w temperaturze 350 o C przez czas 15 minut (rys.5a,b) oraz 90 minut (rys.5c,d). a b 154

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA c d Rys.5. Struktura żeliwa sferoidalnego po hartowaniu izotermicznym w temperaturze 350 o C przez czas 15 minut: a x , b x i 90 minut: c x (obraz w jasnym polu) oraz d x (ten sam obszar w ciemnym polu) Fig.5. The structure of ductile iron austempered at 350 o C with 15 min: a x , b and 90 min: c x (bright field) and d x (dark field image) Szczegółowa analiza szeregu zdjęć mikroskopowych oraz mikrodyfrakcji wykazała, iż w próbkach hartowanych w temperaturze 275 o C, występuje ferryt, austenit a także martenzyt. W tym ostatnim stwierdzono bliźniaków w postaci cienkich płytek (rys.4a), których obecność znalazła odzwierciedlenie na obrazach mikrodyfrakcji elektronowej [5,6]. Warto odnotować, iż w żeliwie hartowanym 180 min. w temperaturze 275 o C znajdują się zarówno austenit (rys.4d) jak i dość znacznych wymiarów węgliki (rys.4c), które sugerują istotne zaawansowanie przemiany przechłodzonego austenitu w bainit. Struktura żeliwa sferoidalnego hartowanego 15 minut w temperaturze 350 o C składa się z silnie odkształconych płytek (igieł) ferrytu oraz austenitu. W tym ostatnim występują liczne błędy ułożenia zaznaczone strzałką na rys.5b. Wydłużenie hartowania do 90 minut prowadzi do wydzielenia Fe 3 C na granicach ziaren, co doskonale widać na obrazie w ciemnym polu (rys.5d) otrzymanym z refleksu od cementytu, położonego tuż w pobliżu refleksu centralnego 000 na obrazie mikrodyfrakcyjnym. 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Ze względu na ograniczone możliwości przytoczenia pełnej analizy wynikó w w tym punkcie skoncentrowano się jedynie na krótkim omówieniu dość interesującej relacji między granicą plastyczności a czasem hartowania izotermicznego w temperatu - rze T hi =275 o C (rys.6a). Wynika z niej jednoznacznie, że o ile wytrzymałość na rozciąganie R m zmienia się w minimalnym stopniu dla czasu hartowania od 15 do 180 minut o tyle granica plastyczności R 0.2 wyraźnie rośnie, co dowodzi stopniowego umacniania żeliwa. 155

8 Wytrzymałość [MPa] Wydłużenie A 10 [%] , Re[MPa] Rm[MPa] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 275oC 325oC 350oC Czas hartowania [min] Czas hartowania izotermicznego [min] Rys.6. Zmiana R m oraz R 0.2 w funkcji czasu hartowania izotermicznego w T hi = 275 o C (a) oraz zmiana A 10 w funkcji czasu hartowania izotermicznego w T hi = 275, 325 i 350 o C - b Fig. 6. The R m and R 0.2 change as a function of austempering time at T hi 275 o C a, and change of elongation A 10 as a function of time for the specimen austempered at T hi = 275, 325 and 350 o C Równocześnie wydłużenie żeliwa hartowanego w temperaturze 275 o C, które jest mniejsze od wydłużenia uzyskiwanego podczas hartowania temperaturze: 325 i 350 o C, osiąga maksimum po czasie hartowania 45 minut po czym stopniowo maleje (rys.6b). Oznacza to, że dla żeliwa niestopowego gatunku hartowanego izotermicznie w temperaturze 275 o C, najkorzystniejszą kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych uzyskuje się dla czasu hartowania ok. 45 minut. Z powyższego można wnioskować, że powodem takiego zachowania żeliwa wynika najprawdopodobniej ze stopniowego wydzielania węgla z martenzytu. W tym wypadku jego umocnienie maleje ale jest ono z nadwyżką rekompensowane przez tworzące się ultradyspersyjne węgliki, równomiernie rozmieszczone w metalowej osnowie. Dopiero ich wzrost dokonujący się w miarę wydłużania czasu hartowania prowadzi do pogorszenia ciągliwości żeliwa. Jakkolwiek w pracy nie prowadzono badań ilościowych to jednak można d o- mniemywać, że żeliwo hartowane w wyższej temperaturze, np. 350 o C, swoje wysokie własności plastyczne zawdzięcza najprawdopodobniej obecności znacznej ilości aust e- nitu [3]. W temperaturze 350 o C austenit przechłodzony, nawet stabilizowany węglem ulega dość szybko przekształceniu w mieszaninę ferrytu i węglików, które lokują się na granicach wydłużonych ziaren ferrytu (rys.5d). W miarę ich wzrostu tworzą one ciągłe warstwy, które ze względu na dużą kruchość sprzyjają pękaniu żeliwa. Innym wynikiem, nad którym warto się chwilę zastanowić to obecność dość d u- żych węglików w żeliwie hartowanym przez 15 minut w temperaturze 275 o C (rys.4c). Warto tu dodać, iż węgliki takie obserwowano jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie 156

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA sferoidów grafitowych, a więc w pobliżu miejsc będących naturalnym źródłem węgla. Rozważmy warunki początkowe jakie istnieją w materiale w chwili rozpoczęcia hartowania izotermicznego. Jeśli idzie o rozkład węgla możemy oczekiwać, że po austenit y- zacji jego stężenie jest największe w pobliżu sferoidów grafitu, będących źródłem at o- mów węgla. Oznacza to z jednej strony mniejszą krytyczną szybkość chłodzenia z drugiej natomiast to, iż temperatura początku początek przemiany martenzytycznej M s jest nieco niższa w porównaniu do tych obszarów o mniejszym stężeniu węgla. Jeśli przyjąć, iż oddziaływanie węgla jest analogiczne jak w stali, w której dla zawartości 1.2%C, temperatura M s znajduje się poniżej 200 o C, zatem nawet z termodynamicznego punktu widzenia, zarodkowanie martenzytu w tych obszarach nie powinno wystąpić. Skądinąd wiadomo, że typowa mikrostruktura żeliwa składa się ze sferoidów grafitu w otoczce kilku ziaren ferrytu. Podczas austenityzacji ziarna ferrytu zostają przekształcone w ziarna austenitu rozdzielone granicami ziaren w ilości na pewno nie mniejszej niż liczba granic ziaren ferrytu. Te są po pierws ze drogami ułatwionej dyfuzji atomów węgla, których źródłem są sferoidy grafitu, a po drugie stanowią preferowane miejsca dla zarodkowania węglików. To wyjaśniałoby fakt obecności dużych wydzieleń ceme n- tytu w pobliżu wydzieleń grafitowych w żeliwie hartowanym przez 15 minut w temperaturze 275 o C. 5. WNIOSKI Wyniki uzyskane w pracy oraz ich analiza umożliwia sformułowanie następujących wniosków: 1. Hartowanie izotermiczne standardowego (niestopowego) żeliwa sferoidalnego g a- tunku w temperaturze T hi = 275, 325 i 350 o C umożliwia uzyskanie żeliwa ADI o wytrzymałości na rozciąganie R m rzędu 1500 i więcej MPa i wydłużeniu A %. 2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie w temperaturze T hi wynoszącej: 275, 325 oraz 350 o C jest niejednorodna i zmienia się zależnie od położenia względem sferoidów grafitu. 3. Znaczna niejednorodność składu chemicznego związana ze specyfiką hartowania izotermicznego powoduje, że zapoczątkowanie przemian fazowych ich przebieg są lokalnie różne. 4. Zważywszy, że specyficzne właściwości żeliwa ADI wiążą się przede wszystkim z obecnością ferrytu i austenitu, bardziej prawidłowym określeniem osnowy met a- lowej jest ausferryt. Z punktu widzenia własności żeliwa ADI, obecność węglików jest raczej niepożądana i nawet jeśli pojawią się one lokalnie ich udział nie upoważnia do określania osnowy żeliwa jako bainitycznej. Osnowa taka dyskwalifikuje żeliwo jako żeliwo ADI. 157

10 LITERATURA [1] [2] K. Röhrig: Giesserei- Praxis, nr 1-2 (1983)s.1. [3] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoida l- nego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, nr 95, wyd. ATR, Bydgoszcz, [4] Metals Handbook, Ninth Edition, vol 12 Fractography, ASM International, Metals Park, Ohio, 1987 [5] C.M. Wyman: Martensitic transformation, in Modern Diffraction and Imaging Techniques in Materials Science, ed. S. Amelinckx, R. Gevers, G. Remaut and J.Van Landuyt, North-Holland Publ.Co, Amsterdam, London, 1969 [6] G. Thomas, M.J.Goringe: Transmission Electron Microscopy of Materials, John Willey & Sons, NY, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, [7] K.W. Andrews, D.J.Dyson, S.R. Keown: Interpretation of Electron Diffraction Patterns, London, SUMMARY THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF AUSTEMPERED DUCTILE IRON The results of mechanical and structural investigation of standard grade auste m- pered ductile iron are presented. The specimens were solution heat treated at the temperature 900 o C and then quenched to the temperature: 275, 325 and 350 o C, where they were hold for different time. It was concluded that the metal matrix has a very complicated needle like microstructure being typical for austempered ductile iron (ADI). Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 158