CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁOWA PRODUKCYJNEGO ŻELIWA SFEROIDALNEGO. Al. Jana Pawła II 37, Kraków, 2 Odlewnia Żeliwa Ciągliwego S.A.

Transkrypt

1 74/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁOWA PRODUKCYJNEGO ŻELIWA SFEROIDALNEGO A. TABOR 1, K. LEWANDOWSKI 2, K. ZARĘBSKI 3, P. PUTYRA 4 1 Centrum szkolenia i Organizacji Systemów Jakości, Politechnika Krakowska, 3, 4 Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska, Al. Jana Pawła II 37, Kraków, 2 Odlewnia Żeliwa Ciągliwego S.A. ul. Leśna 10, Zawiercie STRESZCZENIE W pracy zamieszczono rezultaty obserwacji przełomów produkcyjnego żeliwa sferoidalnego. Zastosowanie mikroskopii skaningowej w badaniach fraktograficznych pozwoliło na dokonanie analizy mechanizmu pękania próbek pochodzących ze statycznej próby rozciągania. Dla pełniejszej charakterystyki materiałowej badanego żeliwa prócz wyników badań wytrzymałościowych i pomiarów mikrotwardości, w artykule przedstawione zostały rezultaty obserwacji mikrostruktury. Key words: nodular cast iron, tensile strength, elongation, hardness 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne jest nowym rodzajem tworzywa o bardzo wysokich właściwościach wytrzymałościowych, będących wynikiem występowania w jego osnowie grafitu w postaci kulkowej. Rozróżnia się w zasadzie dwa rodzaje żeliwa sferoidalnego: ferrytyczne i perlityczne, a podstawą kwalifikacji zgodnie z PN-92/H są: wytrzymałość na rozciąganie i minimalne wydłużenie. Ze względu na bardzo wysokie właściwości użytkowe żeliwo sferoidalne należy do czołowych stopów odlewniczych żelaza i znajduje zastosowanie przede wszystkim jako 1 dr inż., atabor@mech.pk.edu.pl 2 dr inż. 3 mgr inż. 4 mgr inż.

2 547 materiał na odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego, maszyn rolniczych, odlewy rur i armatury oraz odlewy hutnicze [1, 2]. 2. BADANIA WŁASNE Celem pracy było określenie mechanizmu pękania produkcyjnego żeliwa sferoidalnego GJS poddanego obciążeniom statycznym. Obserwacji na mikroskopie skaningowym poddano przełomy próbek pochodzących ze statycznej próby rozciągania, wykonanej w temperaturze otoczenia. Dla dokładniejszej charakterystyki materiałowej badanego żeliwa prócz wyników z prób wytrzymałościowych zamieszczono wyniki z pomiarów mikrotwardości oraz rezultaty obserwacji mikrostruktury Przedmiotem badań było żeliwo sferoidalne pochodzące z Odlewni Żeliwa Ciągliwego S.A w Zawierciu. Jako wsad metalowy zastosowano surówkę odlewniczą hematytową LH w ilości 600 kg (10%), złom obiegowy sferoidalny 3800 kg (63%), złom stalowy 1600 kg (27%) oraz dodatki: nawęglacz, żelazokrzem i żelazomangan. Proces topienia prowadzono w tyglowym piecu indukcyjnym o pojemności 6 ton. Temperatura spustu do kadzi wynosiła 1520 C, temperatura zalewania 1420 C. Wszystkie formy formowano i zalewano na automacie Disamatic, w masach wilgotnych z dodatkiem bentonitu i pyłu węglowego. Sferoidyzację przeprowadzono za pomocą przewodu elastycznego SKW o składzie 61g Mg, 123g Si oraz 1,7g metali ziem rzadkich, na metr bieżący przewodu. W przypadku spustu do kadzi smukłej o pojemności 400 kg w celu sferoidyzacji dodawano 15 m przewodu elastycznego, a do kadzi o pojemności 750 kg długość przewodu elastycznego wynosiła 22 metry bieżące. Uzyskane żeliwo, którego skład chemiczny podano w Tabeli 1 charakteryzowało się wytrzymałością na rozciąganie R m mieszczącą się w granicach 630 MPa 820 MPa, a wydłużeniem A 3 wynoszącym od 7,1% do 12 %. Obserwacje struktury przeprowadzono na mikroskopie optycznym Nikon Eclipse ME600P. Dodatkowo przeprowadzono obserwację przełomów próbek rozciąganych przy użyciu mikroskopu skaningowego Jeol JSM 50A. Pomiary mikrotwardości wykonano na Microhardness Tester FM-700e firmy Future Tech. Wgłębnik mikrotwardościomierza obciążany był siłą wynoszącą 0,196 N, czas obciążania wynosił 10 s. 3. PODSUMOWANIE Strukturę produkcyjnego żeliwa sferoidalnego tworzy głównie perlit ze sferoidalnymi wydzieleniami cementytu, liczne wydzielenia grafitu kulkowego, zwartego otoczone są ziarnami ferrytycznymi Strukturę badanego żeliwa przedstawiono na Rys. 1. Wydzielenia grafitu miały postać wydzieleń zwartych i sferoidalnych na całym przekroju poprzecznym próbki, znaczne różnice zaobserwowano natomiast w ich wielkości, co dobrze widoczne jest przy powiększeniu 200x.

3 548 Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa. Table 1. Chemical composition of the examined cast iron. Skład chemiczny [%] C Si Mn P S Mg Cu Cr Ni Ti 3,6 2,5 0,4 0,02 0,015 0,045 0,27 0,03 0,01 0, x 200x Rys. 1. Mikrostruktury badanego żeliwa Fig. 1. Microstructures of the examined cast iron Wraz z odległością od powierzchni odlewów stwierdzono zmianę twardości osnowy perlitycznej i ziarn ferrytycznych, otaczających wydzielenia grafitu. Na brzegu odlewanej próbki wytrzymałościowej ziarna perlitu odznaczały się twardością na poziomie 309 jednostek HV0,02 (co odpowiada twardości 30 HRC), podczas gdy ziarna ferrytu charakteryzowały się twardością wynoszącą 247 HV0,02. Twardość ziarn perlitycznych w środku części chwytowej odlewanej próbki wytrzymałościowej wynosiła 400 HV0,02 (41 HRC), a ziarna ferrytu w tej części próbki charakteryzowały się twardością na poziomie 170 HV0,02. Analizowane żeliwo sferoidalne odznaczało się znaczną kruchością. Udarność próbek z karbem w kształcie litery V w temperaturze otoczenia nie przekraczała 12 J/cm 2, co odpowiada energii łamania, wynoszącej 10 J. Pomimo wydłużenia na poziomie 10%, w próbkach rozciąganych dominuje transkrystaliczny łupliwy mechanizm pękania. Powierzchnia przełomu wykazuje charakterystyczne nieciągłości uskoki, występujące w postaci rzek i przecinające często całe ziarno. Choć przełom ten określa się jako kruchy to jego powierzchnia wykazuje ślady odkształcenia plastycznego. Odkształceniu plastycznemu ulegały głównie obszary wokół wydzieleń grafitu Rys. 3. Jak podano w [3, 5, 6], występowanie nieciągłości oznacza, że pęknięcie następowało w wyniku przeskoku z jednej płaszczyzny na drugą poprzez ścięcie lub wtórne pęknięcie. Ten rodzaj pękania jest wynikiem pojawienia się na drodze pęknięcia niskokątowej granicy. Szerokokątowe granice ziarn [4] stanowią przeszkody na drodze przemieszczania się pęknięcia,

4 549 generując powstanie nowego systemu rzek i dorzeczy. Z powstaniem uskoków wiąże się zwiększenie energii absorbowanej podczas pęknięcia, co daje w efekcie mniejszą kruchość. Pęknięcie łupliwe powstaje najczęściej na granicy ziarna, a rozprzestrzeniając się we wszystkich kierunkach w krysztale, powoduje utworzenie rzeźby typu wachlarza. Rys. 2. Mikrofotografia przełomu próbki rozciąganej Fig. 2. Fracture surface photos of specimens after tensile tests Rys. 3. Mikrofotografia przełomu próbki rozciąganej Fig. 3. Fracture surface photos of specimens after tensile tests

5 550 Łączenie pęknięć różnych ziarn zachodzi na granicy między nimi, a kierunek rozprzestrzeniania się pęknięcia łupliwego ulega zmianie od ziarna do ziarna, przy czym przejście pęknięcia do sąsiedniego ziarna wymaga procesu akomodacji, pochłaniającego dodatkową energię. Na powierzchni faset łupliwych obserwuje się dodatkowo ślady pęknięć wtórnych (jak na Rys. 2) rozprzestrzeniających się pod pewnym kątem do głównej powierzchni pękania. Badania fraktograficzne wykazały, że w przełomach próbek rozciąganych prócz wcześniej wspomnianych pęknięć o charakterze kruchym, zaobserwować można ślady przełomów quasi łupliwych. Pękanie takie zachodzi poprzez pękanie łupliwe w małych, lokalnych obszarach z następnym ich połączeniem wskutek odkształcenia plastycznego. Oderwanie jako mechanizm lokalnego pękania ciągliwego obserwuje się w obszarach o utrudnionym rozprzestrzenianiu się pęknięcia i jest postrzegany jako wtórny mechanizm pękania. Należy dodać, że mechanizm ten zapewnia połączenie istniejących pęknięć pierwotnych w jedną powierzchnię pękania w wyniku odkształcenia plastycznego. Żeliwo sferoidalne perlityczne charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie oraz ciągliwością, znacznie przewyższając pod tym względem wartości ujęte w normie PN-92/H Jest to zapewne wynikiem sferoidyzacji cementytu w strukturze perlitycznej jak również duży udział w osnowie struktury ferrytycznej. Właściwościami wytrzymałościowymi dorównuje gatunkom ciągliwego żeliwa o strukturze bainitycznej bądź martenzytu odpuszczonego, odznaczając się przy tym kilkakrotnie większym wydłużeniem. Żeliwo to odznacza się niejednorodną strukturą, od ferrytycznej w obszarach otaczających wydzielenia grafitu po strukturę perlityczną. Wraz z odległością od warstw powierzchniowych zmienia się mikrotwardość ziarn ferrytu i perlitu. W świetle uzyskanych wyników celowym wydaje się być prowadzenie dalszych badań zmierzających do wyjaśnienia zmian twardości osnowy ferrytyczno - perlitycznej żeliwa sferoidalnego wraz ze wzrostem odległości od powierzchni odlewu. Ilość węgla rozpuszczonego w osnowie ferrytycznej, jak również stopień koagulacji cementytu struktury perlitycznej na powierzchni oraz w środku odlewanych próbek wytrzymałościowych może wpłynąć również na właściwości wytrzymałościowe badanego żeliwa oraz na udział odkształcenia plastycznego w uzyskanych przełomach. LITERATURA [1] A. Tabor, J.S. Rączka: Odlewnictwo. Wyd. FOTOBIT, Kraków [2] C. Podrzucki: Żeliwo, Wyd. ZG STOP, Kraków [3] A. Maciejny: Kruchość metali, Wyd. Śląsk, Katowice [4] S. Dymski, T. Szykowny: Aspekt zginania udarowego żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, Nr 17, [5] S. Kocańda: Zmęczeniowe pękanie metali., WNT, Warszawa1985. [6] M. Blicharski: Odkształcenie i pękanie, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne AGH, Kraków 2002.

6 551 SUMMARY CHARACTERISTIC OF PRODUCTIVE NODULAR CAST IRON This work presents results of fractures nodular cast iron observation, after static loads. The application of scanning electron microscope allows carry on fracture mechanisms analysis of cast irons specimens after tensile tests. Furthermore in this paper are placed results of hardness measurements and tensile tests results. Complements of those investigations are microstructure pictures. Recenzował Prof. Józef S. Suchy