WPŁYW ALUMINIUM NA MAKSYMALNĄ TEMPERATURĘ PRZEMIANY EUTEKTYCZNEJ I WIELKOŚĆ REKALESCENCJI EUTEKTYCZNEJ ŻELIWA

Transkrypt

1 22/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW ALUMINIUM NA MAKSYMALNĄ TEMPERATURĘ PRZEMIANY EUTEKTYCZNEJ I WIELKOŚĆ REKALESCENCJI EUTEKTYCZNEJ ŻELIWA M. S. SOIŃSKI 1, T. WARCHALA 2, A. ZYSKA 3 Katedra Odlewnictwa, Politechnika Częstochowska, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W oparciu o analizę termiczną i deriwacyjną żeliwa pochodzącego z 12 wytopów określono maksymalną temperaturę przemiany eutektycznej (TS) i wielkość rekalescencji (TS-TSM) żeliwa zawierającego około 3,2 % Al i około 3,7 % Si, poddanego sferoidyzacji. Wyznaczono modele matematyczne opisujące zależności TS i TS-TSM od wprowadzonych do żeliwa dodatków aluminium, mieszanki cerowej i żelazokrzemu. Key words: cast iron, aluminium, thermal analysis, eutectic transformation, recalescence 1. WTĘP Już stosunkowo niewielkie ilości aluminium wprowadzone do stopów żelazo węgiel o składzie bliskim eutektycznemu powodują podwyższenie temperatury eutektycznej i to zarówno stabilnej, jak i metastabilnej. Przykładowo można podać, że temperatury te wynoszą odpowiednio: przy zawartości Al = 500 ppm 1156,2 0 C i 1147,6 0 C oraz przy zawartości Al = 0,2% 1159,5 0 C i 1149,1 0 C [1]. J. Pelleg [2] podaje, że zawartość 0,6% aluminium w żeliwie (o składzie około 3,3% C; 2,15% Si; 0,7% Mn) powoduje podwyższenie temperatury eutektycznej o C. Zdaniem Ju. G. Bobro i N. A. Tananki [3] przy dodawaniu aluminium do żeliwa jasno zaznacza się tendencja do podwyższania temperatury początku krystalizacji. O tendencjach wzrostu 1 dr hab. inż. 2 doc. dr inż. 3 dr inż.

2 176 temperatury przemiany eutektycznej w miarę podwyższania zawartości aluminium w żeliwie (w ilościach do około 14%) donosi także H. Laplanche [4]. Zdaniem E. Hugony ego [5] temperatura eutektyczna wzrasta z C do C przy zawartości Al = 15%, a następnie obniża się. Według J. Pluhara i M. Vyklicky ego [6] temperatura początku krzepnięcia żeliwa wysokoaluminiowego jest rzędu C. Warto także podać, że zdaniem autorów pracy [7] dodatek aluminium do żeliwa zwiększa różnicę pomiędzy temperaturę eutektyczną w układzie stabilnym i metastabilnym. Z przeprowadzonego rozpoznania literaturowego wynika jednoznacznie, że wprowadzenie aluminium do żeliwa pociąga za sobą wzrost temperatury eutektycznej. Nie napotkano jednak w literaturze bliższych danych odnoszących się do żeliwa niskoaluminiowego (o zawartości około 3% Al), z podwyższoną zawartością krzemu, poddanego zabiegowi sferoidyzacji, będącego przedmiotem zainteresowania. Jest to tworzywo o korzystnej z punktu widzenia żaroodporności osnowie ferrytycznej w stanie lanym, z kulkowymi i wermikularnymi wydzieleniami grafitu. Charakteryzuje się ono znaczną odpornością na utlenianie w wysokich temperaturach i niezłymi właściwościami technologicznymi oraz mechanicznymi [8, 9]. Za celowe uznano więc przeprowadzenie odpowiednich badań. 2. BADANIA WŁASNE Celem badań było określenie: - maksymalnej temperatury przemiany eutektycznej TS, - temperatury metastabilnej TSM, - związków pomiędzy TS oraz wielkością rekalescencji eutektycznej (TS-TSM), a użytymi do wytworzenia żeliwa niskoaluminiowo-krzemowego substancjami, tzn. aluminium, mieszanką cerową i żelazokrzemem. W ramach pracy przeprowadzono 12 wytopów żeliwa połączonych z analizą termiczną stopu z uwzględnieniem rejestracji pierwszej pochodnej krzywej stygnięcia żeliwa (metoda ATD). Żeliwo wytapiano w tyglu grafitowym w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości firmy Leybold-Heraeus. Jako podstawowego materiału wsadowego użyto specjalnie wytopionego żeliwa (wytworzonego dla uniknięcia występowania pierwiastków przeciwdziałających sferoidyzacji ze złomu żeliwa sferoidalnego oraz nawęglacza). Jego skład chemiczny był tak dobrany, aby nie było potrzeby nawęglania, ani też uzupełniania składu chemicznego. Do każdego wytopu używano wsad żeliwny w ilości g (± 2g). W przypadku wytopów, w trakcie których wprowadzano do żeliwa aluminium, ilość tego metalu wynosiła 194 g (± 1g). W przypadku stosowania do obróbki mieszanki cerowej i żelazokrzemu, wprowadzano odpowiednio 0,11% i 1,30% w stosunku do masy tworzywa poddanego zabiegowi. Macierz planu doświadczeń przedstawiono w tabeli 1. Po przegrzaniu żeliwa do temperatury C (± 10 0 C) do stopu wprowadzono, w odstępach czterominutowych, odpowiednie dodatki: aluminium, mieszankę cerową i żelazokrzem 75%-wy. W cztery minuty po modyfikacji grafityzującej ciekłym metalem zalewano bezpośrednio z tygla pieca:

3 177 - kokilkę do analizy spektralnej, - dwa próbniki ATD-10 do analizy termicznej i deriwacyjnej połączone z dwukanałowym rejestratorem Cristaldigraf PC (z zapisem cyfrowym), - dwie formy z próbkami prętowymi (do analizy metaloznawczej). Tabela 1. Macierz planu doświadczeń obejmujących analizę termiczną żeliwa Table 1. Experiment design matrix for thermal analysis of cast iron Nr Czynniki doświadczenia x 1 x 2 x 3 Nr wytopu x 1 dodatek aluminium, poziom podstawowy 97 g, przedział zmian 97 g; x 2 dodatek mieszanki cerowej, poziom podstawowy2,9 g, przedział zmian 2,9 g; x 3 dodatek żelazokrzemu 75%-wego, poziom podstawowy 34 g, przedział zmian 34 g W wytopionym żeliwie niskoaluminiowyo-krzemowym poddanym obróbce miszmetalem cerowym i żelazokrzemem 75%-wym zawartości podstawowych pierwiastków mieściły się w następujących granicach: C = 2,71 2,91%; Si = 3,66 3,86%; Mn = 0,16 0,17%; P = 0,03 0,04%; S = 0,002 0,003%, Al = 3,12 3,26%. W oparciu o dane uzyskane w ramach analizy termicznej i deriwacyjnej wyznaczono model matematyczny opisujący zależność maksymalnej temperatury przemiany eutektycznej TS żeliwa niskoaluminiowo-krzemowego, poddanego obróbce miszmetalem cerowym i żelazokrzemem 75%-wym, od wprowadzonych dodatków. Przybiera ono następującą postać (w wersji zakodowanej): ŷ = 1184, ,62 x 1 3,50 x 2 + 3,12x 3 4,62 x 1 x 2 (1) gdzie: x 1, x 2, x 3 zgodnie z oznaczeniami podanymi w tabeli 1. Wyznaczona obliczeniowo maksymalna temperatura przemiany eutektycznej badanego żeliwa wynosi TS = 1198,9 0 C. Rozpatrywana wielkość obliczona jako średnia z 9-ciu pomiarów wynosi około C. Wyznaczony model matematyczny opisujący zależność rekalescencji eutektycznej od wprowadzonych do niskostopowego żeliwa, poddanego obróbce sferoidyzującej, dodatków, przybiera następującą postać (w wersji zakodowanej):

4 178 ŷ = 3,37 + 1,25 x 1 + 1,62 x 1 x 2 1,12 x 2 x 3 1,0 x 1 x 2 x 3 (2) gdzie: x 1, x 2, x 3 jak poprzednio. Po sprawdzeniu, podobnie jak w przypadku modelu opisującego wielkość maksymalnej temperatury eutektycznej, że rozpatrywany model jest adekwatny, obliczono, że wielkość rekalescencji wynosi: TS TSM = 4,12 0 C 4,1 0 C. Wielkość rekalescencji (TS TSM) badanego sferoidyzowanego żeliwa niskoaluminiowokrzemowego określona jako średnia z pomiarów, wynosi 3 0 C. 3. PODSUMOWANIE Objęte badaniami żeliwo niskoaluminiowo-krzemowe było stopem nadeutektycznym. Wielkość współczynnika nasycenia mieściła się w granicach 1,12 do 1,20. Nie udało się odczytać z krzywych stygnięcia temperatury likwidus T L. Przyczyną tego stanu rzeczy był fakt, że ciepło wydzielone przy krystalizacji pierwotnych wydzieleń grafitu w żeliwie nadeutektycznym jest bardzo małe i nie prowadzi do powstania widocznego przystanku na krzywej stygnięcia; przytoczone rozważania potwierdzają dane literaturowe, m. in. podane w pracy [10]. Temperaturę likwidus badanego żeliwa można orientacyjnie wyznaczyć m.in. w oparciu o zależność podaną w pracy [11]. Jeżeli bowiem Si Al likw C ; 0 C (3) 4 12, 4 T. to przy średnich zawartościach węgla, krzemu i aluminium w badanym żeliwie wynoszących: C = 2,85%, Si = 3,71%, Al = 3,19%, wynosi ona 1227,5 0 C. Określona eksperymentalnie (a także wynikająca z obliczeń) maksymalna temperatura przemiany eutektycznej TS sferoidyzowanego żeliwa niskoaluminiowo - krzemowego jest niższa od obliczonej według przytoczonego równania temperatury likwidus T likw. o około C. Analiza termiczna potwierdziła, że aluminium, podobnie zresztą jak i krzem, wpływa na podwyższenie temperatury przemiany eutektycznej TS. Z wykonanych badań wynika, że wystąpienie aluminium w żeliwie w ilości około 3,2% pociągnęło za sobą wzrost temperatury TS żeliwa (o stosunkowo wysokiej zawartości krzemu równej ok. 3,7%) o blisko 40 0 C (z obliczeń wg wyznaczonej zależności matematycznej równanie 1 wynika wartość 39,2 0 C). Znacznie większa różnica wynika z porównania temperatur TS badanego żeliwa niskoaluminiowo-krzemowego i żeliwa sferoidalnego niestopowego [12] - wynosi ona ponad 70 0 C. Maksymalna temperatura przemiany eutektycznej obrobionego miszmetalem cerowym i modyfikowanego żelazokrzemem 75%-wym żeliwa niskoaluminiowo-krzemowego wyznaczona, jako średnia z pomiarów, wynosi około 1202 o C, a wyliczona w oparciu o model (równanie 1) - około C.

5 179 Rekalescencja (TS TSM) badanego sferoidyzowanego żeliwa niskostopowego wynosiła jako średnia z pomiarów 3 0 C, a wyznaczona według modelu matematycznego (równanie 2) około 4,1 0 C. Są to wartości bardzo zbliżone do rekalescencji modyfikowanego żeliwa sferoidalnego, obrobionego magnezem. Z danych przytoczonych w pracy [13] wynika, że wielkość rekalescencji tego ostatniego stopu wynosi około 4 0 C. LITERATURA [1] P. Magnin, W. Kurz: Stable and Metastable Eutectic Temperatures of Fe-C with Small Additions of a Third Element. Z.Metallkun., vol. 79, 1988, nr 5, s [2] J. Pelleg: Aluminium treated Cast Iron. Brit.Foundryman, vol.55, 1962, s [3] Ju. G. Bobro, N. A. Tananko: Issledovanie pervičnoj kristallizacii aljuminievogo čuguna. Litejnoe Proizvod., 1964, nr 6, s [4] H. Laplanche: Les fontes á l aluminium. Metall.Constr.Mec., vol. 102, 1970, nr 9, s [5] E. Hugony: Żeliwo aluminiowe. Własności, technologia i zastosowanie. Wyd. Instytut Odlewnictwa, Kraków Tłum. z: Le ghise all alluminio. Caratteristiche, technologia a applicazioni. Instituto Sperimentale dei Metali Leggeri. Memorie e rapporti. Serie XV. Milano, 1965, nr 352. [6] J. Pluhar, M. Vyklicky: Alliage réfractaire du type Fe-Al a 30% d aluminium. Rev. Metall., 1968, nr 11, s [7] T. Kanno, H. Kimura, H. Nakae: The Relationship Between the Variation of Eutectic Temperature and Melt Quality in Cast Iron. W: 64 th World Foundry Congress, Paris 2000, Ref. nr. J50. [8] M. S. Soiński: Hitzebeständiges niedrigaluminiumlegiertes Gusseisen mit Kugelgraphit. Teil 1: Grundlagen und Herstellungsbedingungen. Giessereitech., vol. 36, 1990, nr 3, s [9] M. S. Soiński: Hitzebeständiges niedrigaluminiumlegiertes Gusseisen mit Kugelgraphit. Teil 2: Eigenschaften. Giessereitech., vol. 36, 1990, nr 4, s [10] M. D. Chaudhari, R. W. Heine, C. R. Loper Jr.: Principles Involved in the Use of Cooling Curves in Ductile Iron Process Control. AFS Cast Met. Res. J., vol.11, 1975, nr 2, s [11] Ch. Defrancq, J. Van Eeghem, A. De Sy: Development ulterieuer de la fonte á l aluminium inocouléè par de fortes quantités de calcium. W: 40 th International Foundry Congress, Moskov, 1973, Ref. nr 3. [12] R. Monre, C. E. Bates: Thermische Analyse zur Kontrolle der Graphitform bei Gußeisen mit Kugelgraphit. Giesserei Prax., 1983, nr 4, s [13] R. Döpp: Beitrag zur Beurteilung der eutektischen Graphitisierung von Gußeisen durch thermische Analyse. Giesserei, vol.76,1989, nr 2, s

6 180 THE INFLUENCE OF ALUMINIUM ON THE MAXIMUM TEMPERATURE OF THE EUTECTIC TRANSITION AND THE EUTECTIC RECALESCENCE VALUE FOR CAST IRON SUMMARY Cast iron from 12 heats has been examined by means of the thermal and derivational analysis and the maximum temperature of the eutectic transition (TS) has been determined along with the (TS-TSM) value for the cast iron containing about 3.2% Al and about 3.7% Si after the process of spheroidizing. There have been derived mathematical models relating TS and TS-TSM to the amount of aluminium, cerium mixture, and ferrosilicon introduced to the cast iron. Recenzował dr hab. Jan Szajnar