BADANIA STRUKTURY I WŁASNOŚCI ŻELIWA SYNTETYCZNEGO HARTOWANEGO IZOTERMICZNIE W ZŁOŻU FLUIDALNYM

Transkrypt

1 18/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 40 PAN Katowice PL ISSN BADANIA STRUKTURY I WŁASNOŚCI ŻELIWA SYNTETYCZNEGO HARTOWANEGO IZOTERMICZNIE W ZŁOŻU FLUIDALNYM KACZOROWSKI Mieczysław, BOROWSKI Andrzej WASZKIEWICZ Stanisław Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych Politechniki Warszawskiej, ul. Narbutta 85, Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań własności mechanicznych i struktury syntetycznego żeliwa sferoidalnego, przed i po hartowaniu izotermicznym w złożu fluidalnym. Stwierdzono, że hartowanie w złożu fluidalnym jest skuteczną metodą otrzymywania żeliwa ADI, o wytrzymałości na rozciąganie rzędu 1300 MPa i wydłużeniu około 5%. 1. Wprowadzenie Faktem bezspornym jest, że żeliwo należy do najczęściej stosowanych tworzyw odlewniczych. Rozwój techniki, zwłaszcza przemysłu maszynowego, obserwowany od połowy XIX wieku, wymusza stosowanie żeliw o coraz lepszych właściwościach zarówno wytrzymałościowych jak i plastycznych. Dobrze wiadomo, iż żeliwo szare ma praktycznie zerowe własności plastyczne. Tę wyjątkowo niekorzystną właściwość skądinąd bardzo cennego tworzywa odlewniczego, przezwyciężono wprowadzając zabieg sferoidyzacji grafitu. W ten sposób otrzymano żeliwo z grafitem kulkowym zwane w skrócie żeliwem sferoidalnym, którego wytrzymałość po obróbce cieplnej osiąga 900 MPa, przy wydłużeniu rzędu 1%. Ostatnim osiągnięciem w dziedzinie żeliwa z grafitem kulkowym jest żeliwo sferoidalne ADI (ang. Austempered Ductile Iron) o wytrzymałości sięgającej nawet 1700 MPa. Warto przypomnieć, iż żeliwo ADI o wytrzymałości na rozciąganie 1000 MPa ma wydłużenie rzędu 10%. Wdrożenie ich do praktyki odlewniczej w wielu najbardziej uprzemysłowionych krajach świata zmusiło do jego normalizacji, tak pod

2 160 kątem składu chemicznego jak i właściwości [1]. Dal przykładu norma amerykańska ASTM A wyróżnia 5 gatunków żeliwa ADI o wytrzymałości na rozciąganie od 850 do 1600 MPa. Należy odnotować, iż roczny wzrost produkcji odlewów z żeliwa ADI sięga 15% jest więc nawet nieco większy niż tworzyw sztucznych. Pomijając dyskusję czy osnowę żeliwa ADI lepiej określać mianem bainitu czy raczej ausferrytu wszyscy zgodni są co do tego, iż jest ona mieszaniną iglastego ferrytu i przesyconego węglem austenitu, którego udział decyduje o własnościach plastycznych żeliwa. Jakkolwiek prace jakie pojawiły się w tej dziedzinie zwracają uwagę na zależność parametrów obróbki cieplnej żeliwa ADI od składu chemicznego, to jednak w każdym przypadku obróbka cieplna, która zasadza się na hartowaniu izotermicznym obejmuje cztery podstawowe etapy [2]: austenityzację, szybkie chłodzenie do temperatury przemiany odbywającej się w stałej temperaturze, w której odbywa się hartowanie izotermiczne, wytrzymanie w temperaturze hartowania izotermicznego przez ściśle określony okres czasu celem umożliwienia przebiegu przemiany przechłodzonego austenitu i wreszcie ochłodzenie do temperatury pokojowej po izotermicznym hartowaniu; operacja ta odgrywa istotną rolę w sytuacji gdy część austenitu nie przemienionego podlega przemianie w martenzyt. Mimo, iż jak twierdzą niektórzy, podstawowym warunkiem uzyskania dobrego odlewu z żeliwa ADI jest wysoka jakość żeliwa sferoidalnego do obróbki cieplnej, problemem kontrolowanego kształtowania struktury a więc i właściwości żeliwa ADI nie jest rzeczą łatwą i wymaga jeszcze wielu badań. Mimo to, żeliwo znalazło już wiele zastosowań [3] a szerszemu wykorzystaniu przeszkadzają czynniki o których pisze Podrzucki [4]. Stąd też nic dziwnego, problematyka żeliwa ADI jest przedmiotem coraz liczniejszych publikacji a nawet regularnych konferencji międzynarodowych, z których pierwsza odbyła się w Chicago w 1984 roku [5]. Celem pracy jest zaprezentowanie wyników badań uzyskanych podczas hartowania izotermicznego syntetycznego żeliwa sferoidalnego w złożu fluidalnym. 2. Część doświadczalna 2.1 Materiał do badań Materiałem do badań było syntetyczne żeliwo sferoidalne wytapiane w 3 tonowym piecu indukcyjnym, o składzie podanym w tablicy 1. Tablica 1. Skład chemiczny wyjściowego żeliwa sferoidalnego. Wytop Skład chemiczny [% wag.] C Si Mn P S Sn Cu Ni Mo Mg S c 004 3,68 2,47 0,23 0,006 0,014 0,13 1,10 0,15-0,056 1, ,46 2,50 0,22 0,009 0,018 0,13 1,10 0,69 0,2 0,044 0, ,97 3,12 0,15 0,010 0,003 0,07 0,83 0,13-0,062 1, ,20 2,88 0,16 0,00 0,025 0,056 0,06 0,03-0,043 0,95

3 Obróbka cieplna odlewów Obróbka polega na hartowaniu izotermicznym i obejmowała dwa etapy: austenityzację przez 90 min w temperaturze 900 o C, hartowanie izotermiczne przez 55 min w temperaturze 310 o C. Hartowanie przeprowadzono na próbkach wytrzymałościowych o średnicy 8 mm w części pomiarowej, w piecu fluidalnym wypełnionym proszkiem Al 2 O Metodyka badań Z obrobionych cieplnie odlewów wycięto próbki do badań własności mechanicznych (PN-76/H-83124). Obok badań na maszynie wytrzymałościowej wykonano badania twardości oraz udarności KCV. Badanie własności mechanicznych uzupełniono obserwacjami mikrostruktury oraz przełomów w skaningowym mikroskopie elektronowym SEM (ang. Scanning Electron Microscopy). 3. Wyniki badań 3.1. Badania własności mechanicznych Szczegółowe wyniki badań odlewów w stanie surowym podano wcześniej [sss], podczas gdy rezultaty obróbki cieplnej odlewów zamieszczono w tablicy 2. Tablica 2. Wyniki badań własności mechanicznych Wytop Stan R m MPa R 0,2 MPa R 0,2 /R m A 5 % KCV kj/m 2 HB 004 Surowy ,64 4,4 21, Po hartowaniu ,83 9,8 42, Surowy ,68 4,3 22, Po hartowaniu ,80 6,0 141, Surowy ,67 3,2 21, Po hartowaniu ,76 4,6 35, Surowy ,65 3,8 24, Po hartowaniu ,76 5,1 118,0 381 Z tablicy wynika jednoznacznie, że obróbka cieplna wybitnie podwyższ wysokie właściwości żeliwa już w stanie lanym. Warto odnotować towarzyszącą tej dużej wytrzymałości bardzo dobre własności plastyczne, których miarą jest wydłużeni A Wyniki badań mikroskopowych Rys. 1 ukazuje mikrostrukturę żeliwa sferoidalnego przed (rys. 1a) i po obróbce cieplnej (rys. 1b). Łatwo zauważyć iż osnowa metalowa na pierwszym z nich jest typową strukturą perlityczną, podczas gdy druga ujawnia mieszaninę iglastego ferrytu z jaśniejszymi obszarami austenitu szczątkowego. Wypada podkreślić bardzo duże rozdrobnienie perlitu, które zapewne jest bezpośrednią przyczyną wysokich własności wytrzymałościowych już w stanie lanym. Rys.2 ukazuje wyniki badań fraktograficznych powierzchni próbek z żeliwa sferoidalnego bezpośrednio po odlaniu i

4 162 po obróbce cieplnej, zniszczonych w próbie udarności. Na pierwszym zdjęciu (rys.2a) są wyraźnie widoczne płaszczyzny łupliwości, typowe dla materiałów o sieci A2. a b Rys. 1. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego: a w stanie surowym, b hartowanego izotermicznie Fig. 1 The microstructure of ductile iron: a- as cast, b- austempered a b Rys. 2. Przełomy próbek udarnościowych dla: a- żeliwa w stanie lanym, b- po obróbce cieplnej Fig.2.The fracture surface of ductile iron specimens after impact test: a- as cast, b- heat treated

5 163 Druga mikrografia (rys.2b) przedstawia powierzchnię przełomu żeliwa sferoidalnego po hartowaniu izotermicznym. W tym wypadku na zdjęciu widać kratery, charakterystyczne dla materiałów ciągliwych. Taka morfologia przełomu jest odzwierciedleniem obecności austenitu w strukturze żeliwa. 4. Dyskusja wyników badań Jak wynika z tytułu pracy, zasadniczym jej celem była weryfikacja możliwości hartowania izotermicznego w złożu fluidalnym. Różny skład chemiczny żeliwa miał znaczenie drugorzędne, jakkolwiek dostarczał pewnych informacji o jego wpływie na skuteczność hartowania. Po pierwsze, obecność takich pierwiastków jak Cu, Sn, Ni oraz Mo zmniejsza krytyczną szybkość chłodzenia, po drugie wpływa na rodzaj osnowy po odlaniu a tym samym na czas austenityzacji. Pomijając, ze względu na szczupłość miejsca, ten aspekt pracy należy stwierdzić, iż metoda hartowania izotermicznego w złożu fluidalnym umożliwia otrzymanie żeliwa typu ADI. Przemawia za tym wyraźny wzrost wytrzymałości, twardości przy równoczesnym zwiększeniu ciągliwości oraz udarności żeliwa po obróbce cieplnej. Przekonuje o tym jednoznacznie rys.3. na którym pokazano własności żeliwa bez i po obróbce cieplnej. Wypada jednak zauważyć, iż próbki do badań miały postać walców o średnicy 10 mm. Należy oczekiwać, że zwiększenie masywności odlewów może spowodować zmniejszenie szybkości chłodzenia a tym samym doprowadzić do pogorszenia efektów hartowania izotermicznego. Godnym podkreślenia jest znaczne wydłużenie żeliwa sięgające 5 6% przy wytrzymałości na 1367 rozciąganie powyżej 1300 MPa Zdaniem autorów, ta wyjątkowa 1200 ciągliwość żeliwa ADI jest wynikiem dużej czystości żeliwa, które tu warto przypomnieć jest materiałem 200 syntetycznym. Najlepszym 0 podsumowaniem efektów hartowania izotermicznego jest 8 rys. 3, gdzie ukazano średni Numer wytopu wzrost własności mechanicznych Rm [MPa] Rys.3.Własności żeliwa sferoidalnego przed i po odróbce cieplnej Fig.3. The properties of ductile iron before and after heat treatment spowodowany hartowaniem izotermicznym w złożu fluidalnym. Okazuje się, że średni wzrost własności mechanicznych przekracza 50% w stosunku do wartości żeliwa bez obróbki cieplnej, a w przypadku udarności jest ponad dwukrotny. Ten ostatni jest doskonale widoczny na przełomach otrzymanych po obciążeniu udarowym, których charakter jest wyraźnie ciągliwy dla żeliw hartowanych izotermicznie (rys.2b), podczas

6 164 gdy przełomy odlewów bez obróbki cieplnej ujawniają wyraźnie płaszczyzny łupliwości (rys.2a). Reasumując wydaje się, że można żeliwo sferoidalne poddane hartowaniu izotermicznemu w złożu fluidalnym nazwać żeliwem ADI. Potwierdzeniem tego stwierdzenia jest szczególne połączenie wysokiej wytrzymałości na rozcięganie z całkiem dobrą ciągliwością reprezentowaną przez wydłużenie. Porównując średnie własności mechaniczne żeliwa sferoidalnego po hartowaniu izotermicznym w złożu fluidalnym z normą ASTM A można zakwalifikować je jako gatunek 1200/850/4. 4. Wnioski Podstawowym wnioskiem wynikający z badań wykonanych w ramach niniejszej pracy jest stwierdzenie, że hartowanie izotermiczne w złożu fluidalnym jest skutecznym sposobem obróbki żeliwa sferoidalnego w selu otrzymania żelia ADI. W szczególności hartowanie izotermiczne przez 55 minut w temperaturze 310 o C umożliwia uzyskanie żeliwa ADI o R m bliskiej 1300 MPa i R 0,2 > 1000 MPa, przy wydłużeniu ok. 6%. Hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego w ww. warunkach prowadzi do ponad dwukrotnego wzrostu udarności chociaż wydaje się, że efekt ten jest też skutkiem dużej czystości żeliwa wyjściowego. LITERATURA 1. ASTM E 8 Tentative Specification for ADI, Elliot R.: Cast Iron Technologies, Buitterworths, 1988, p Keough J.R.: An ADI Market Primer, Applied Process, Inc., Penton Publ.Co. Inc., Cleveland, Ohio, Podrzucki Cz.: Mat. Międzynarodowej Konferencji pt. Żeliwo Sferoidalne Szansą Rozwoju Polskiego Odlewnictwa, Kraków 1996, s Kovacs B.V., Keough J.R.: Proc. Conf. Integrity on Advances of High Integrity Castings, Chicago, Illinois, US, , p91. THE STUDY OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF SYNTETIC DUCTILE IRON AUSTEMPERED IN FLUIDIZED BED ABSTRACT The structure and mechanical properties of ductile iron as and after austempering in fluidized bed were studied. It was concluded that austempering in fluidized bed was a efficient method for ADI manufacturing, whose tensile strength R m and A 5 reached MPa and 6% respectively. Badania wykonano w ramach grantu celowego KBN Nr 7 TO8B 96 C/2843 Recenzował Prof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński Prof. dr inż. Zbigniew Piątkiewicz