Próba ocena jakości żeliwa z różną postacią grafitu w oparciu o pomiar aktywności tlenu w ciekłym stopie i wybrane parametry krzywej krystalizacji

Transkrypt

1 PROJEKT NR: POIG /08 Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Próba ocena jakości żeliwa z różną postacią grafitu w oparciu o pomiar aktywności tlenu w ciekłym stopie i wybrane parametry krzywej krystalizacji Autor Mieczysław Kuder, Andrzej Pytel Zakopane, maj 2013 ul. Zakopiańska Kraków tel fax iod@iod.krakow.pl

2 Cel Celem prowadzonych badań było określenie właściwości żeliwa, możliwości optymalizacji procesu metalurgicznego i stabilizacji jakości odlewów we wczesnym stadium procesu produkcyjnego, przy zastosowaniu nowoczesnych metod pomiarowych do oznaczania aktywności tlenu i analizy termicznej Zakres badań Dla realizacji projektu, przeprowadzono szereg wytopów żeliwa niestopowego i niskostopowego z zawartością niklu, miedzi i molibdenu. Przeprowadzono obróbkę stopem SiMg5Ce6 i modyfikatorem złożonym. Podczas prowadzenia wytopów wykonano pomiary aktywności tlenu w ciekłym stopie, analizę termiczną z identyfikacją charakterystycznych punktów krzywych krystalizacji oznaczono skład chemiczny i wykonano badania metalograficzne. 2

3 Wprowadzenie Oznaczanie składu chemicznego metodą spektrometryczną, wykonywane najczęściej podczas procesu metalurgicznego żeliwa, nie daje pełnego obrazu jego stanu fizykochemicznego. Między innymi nie uwzględnia stopnia utlenienia, a tlen aktywny zawarty w kąpieli powoduje zgar wprowadzanych składników zapraw oraz zmiany w przebiegu procesu krystalizacji. Przy stosowaniu stałych parametrów obróbki, nie zawsze otrzymuje się efekty zgodne z oczekiwanymi. Różnice dotyczą przede wszystkim postaci i rozłożenia wydzieleń grafitu, które mają znaczący wpływ na właściwości tworzywa. W celu ustabilizowania właściwości wytapianego żeliwa, podjęto próby zastosowania nowych metod pomiarowych jako uzupełnienie tradycyjnego oznaczana składu chemicznego do bieżącej oceny jakości produkowanego stopu. 3

4 Liczne badania udowodniły ścisły związek przebiegu krzywej chłodzenia z właściwościami żeliwa, takimi jak między innymi: skurcz całkowity, skłonność do tworzenia wad typu skurczowego, mikrostruktura stopu po zakrzepnięciu w formie odlewniczej w tym parametry wydzieleń grafitu (postać, ilość, rozłożenie) oraz obecność zabieleń, twardość i wytrzymałość mechaniczna. Krzywa chłodzenia żeliwa z opisanymi punktami charakterystycznymi krystalizacji Obszary krystalizacji żeliwa odpowiedzialne za powstawanie różnych postaci wad typu skurczowego w odlewie 4

5 Zależność struktury od przebiegu krystalizacji żeliwa Parametr Żeliwo szare Żeliwo wyjściowe do sferoidyzacji Żeliwo sferoidalne TElow, C > Typowe wartości niektórych parametrów żeliwa z krzywej krzepnięcia określone systemem ATAS (wg NovaCast) R, C 3-8 < GRF > GRF < TS, C < S1 Zależnie od gatunku (wytrzymałości) 0 5 (zależnie od grubości ścianki) 5

6 Analogiczne zależności ustalono również w przypadku pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie poddanym obróbce stopami magnezu. Podstawą są zależności ustalone przez F. Seutensa, wiążące postać wydzieleń grafitu, wydłużenie i skłonność do tworzenia makroporowatości żeliwa od aktywności tlenu w ciekłym żeliwie, zmierzonej bezpośrednio przed zalewaniem form. Typowe wartości aktywności tlenu w ciekłym żeliwie, [ppb] grafit sferoidalny: grafit wermikularny: grafit płatkowy:

7 Plan badań przeprowadzenie wytopów doświadczalnych żeliwa o zróżnicowanej zawartości pierwiastków stopowych (Cu, Ni i Mo) obróbka zaprawą magnezowo-cerową pomiar aktywności tlenu w ciekłym żeliwie - bazowym i końcowym wykonanie analizy termicznej dla określenia parametrów charakterystycznych punktów krzywej krystalizacji badania metalograficzne badania wytrzymałościowe 7

8 System pomiarowy Celox-Foundry System pomiarowo- analityczny ATAS 8

9 9

10 Pomiary aktywności tlenu w ciekłym żeliwie wykonano aparatem Celox -Foundry firmy Heraeus Electro-Nite. Aktywność tlenu rozpuszczonego w kąpieli określana jest przez pomiar siły elektromotorycznej odpowiednio dobranego ogniwa stężeniowego, stanowiącego zasadniczy element jednorazowego czujnika CF-Nod o czułości rzędu 1 ppb. Ekranu przyrządu Multi-Lab III z wykresem przebiegu i wynikami pomiaru 10

11 Analizy krzywych krzepnięcia przeprowadzono przy pomocy systemu pomiarowo-analitycznego ATAS firmy NovaCast Foundry Solutions AB w typowych kubkach pomiarowych Quik-Cup. Podstawowym programem komputerowym do obsługi tego systemu jest ATAS Verifier. Ekran programu ATAS z krzywymi krzepnięcia; jedną kompletną i drugą w trakcie wykreślania Kubki Quik-Cup podczas analizy krzepnięcia systemem ATAS 11

12 Zawartość pierwiastków % wagowy Wyniki badań i oznaczeń Skład chemiczny żeliwa z wytopów doświadczalnych Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f C 4,02 3,85 4,05 3,85 3,9 3,7 3,83 3,47 Si 1,20 2,06 1,40 2,32 1,54 2,30 1,80 2,55 Mn 0,56 0,57 0,48 0,50 0,43 0,44 0,47 0,48 P 0,053 0,055 0,05 0,05 0,048 0,054 0,048 0,053 S 0,025 0,022 0,025 0,02 0,02 0,015 0,025 0,02 Mg 0 0, , , ,019 CE 4,35 4,39 4,43 4,46 4,31 4,30 4,30 4,13 Ni+Cu+Mo 0,96 0,97 2,24 2, ,18 1,21 CE = C + 1/4Si + 1/2P 12

13 Aktywność tlenu w żeliwie z wytopów doświadczalnych Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f temp., o C Emf, mv -139,3-235,7-17,6-241,8-132,1-241,9-158,7-247,2 ao, ppb bo, ppm 1,366 0,378 7,951 0,389 1,499 0,368 0,866 0,256 a) b) Wykresy przebiegu pomiaru aktywności tlenu w żeliwie nr 24 bazowym (a) i finalnym (b) 13

14 Parametry wybranych punktów charakterystycznych krzywych krystalizacji ustalone przez system ATAS dla badanych żeliw Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f ACEL 4,34 4,37 4,30 4,21 4,33 4,28 3,93 3,81 TL TES TElow TEhigh R S S S GRF GRF Austenit pierw TS

15 Zrzuty ekranów: wyników, pochodnych i oceny programu ATAS Verifier dla bazowego żeliwa 24b 15

16 Zrzuty ekranów: wyników, pochodnych i oceny programu ATAS Verifier dla końcowego składu żeliwa 24f 16

17 Żeliwo z wytopu 24; zgład nietrawiony, grafit wermikularny Żeliwo z wytopu 25; zgład nietrawiony, grafit płatkowy zwichrzony Żeliwo z wytopu 28; zgład nietrawiony, grafit wermikularny + kulkowy Żeliwo z wytopu 29; zgład nietrawiony Grafit płatkowy, drobny (przechłodzenia) + wermikularny 17

18 Z e s t a w i e n i e w y n i k ó w Żeliwo ao, ppb GRF GRF R, o C ACEL 4,37 4,28 4,21 3,81 CE 4,39 4,30 4,46 4,13 Mg, % wag. 0,025 0,017 0,018 0,019 Ni+Cu+Mo 0,97 0 2,22 1,21 Re, Mpa Rm, Mpa A, % 1,2 4,1 0 1,3 Grafit 90% IIIA6 + 10% VIA7 80% IIIA6 + 20% VIA7 100% IC6 80% ID7 + 20%III6 18

19 Podsumowanie: 1. Badaniom poddano żeliwo niestopowe i niskostopowe (Ni-Cu-Mo), poddane wermikularyzacji, przeznaczone na odlewy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego 2. Obróbka zaprawą SiMgCe i modyfikatorem spowodowała znaczące zmiany aktywności tlenu w ciekłym żeliwie oraz parametrów punktów charakterystycznych krzywej krystalizacji 3. Końcowa zawartość Mg w żeliwie sugeruje uzyskanie grafitu wermikularnego; w rzeczywistości postać grafitu była znacznie zróżnicowana i prawdopodobnie uzależniona od zawartości pierwiastków stopowych 4. Wartości aktywności tlenu w żeliwie końcowym wszystkich wytopów, mieściły się w dolnej połówce zakresu odpowiadającego żeliwu wermikularnemu, co nie miało jednak w pełni przełożenia na rzeczywistą postać grafitu 5. Wartości wskaźnika GRF2, służącego do prognozowania postaci grafitu, kształtowały się powyżej górnej granicy dla żeliwa sferoidalnego, jednak uzyskane wyniki nie pozwoliły na jednoznaczne określenie tej zależności 6. Użyta w badaniach aparatura określa stan fizykochemiczny żeliwa, jednak do precyzyjnego prognozowania struktury i właściwości żeliwa na podstawie ich wskazań niezbędne jest stworzenie obszernej bazy danych porównawczych uzyskanych przez obróbkę statystyczną wiarygodnych wyników 19

20 Dziękuję za uwagę Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.