OPTYMALIZACJA SKŁADU CHEMICZNEGO I TECHNOLOGII WYTWARZANIA AUSTENITYCZNEGO ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Transkrypt

1 41/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN OPTYMALIZACJA SKŁADU CHEMICZNEGO I TECHNOLOGII WYTWARZANIA AUSTENITYCZNEGO ŻELIWA SFEROIDALNEGO A. TABOR 1, J. S. RĄCZKA 2 Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki Instytut Inżynierii Materiałowej Pracownia Odlewnictwa STRESZCZENIE W referacie przedstawiono krytyczną ocenę dotychczasowych danych z prac dotyczących metod wytwarzania austenitycznego żeliwa sferoidalnego, prezentowanych w literaturze naukowo-technicznej. Stwierdzono, że mimo opracowania szeregu czynników decydujących o ukształtowaniu struktury i właściwości tego tworzywa, to jednak w specyficznych warunkach eksploatacyjnych jego zachowanie jest wciąż niezbadane. Stanowiło to podstawę podjęcia badań, które doprowadziły do określenia i przedstawienia optymalnego składu chemicznego żeliwa, doboru składu wsadu metalowego, odpowiedniego procesu technologicznego obejmującego: wytapianie żeliwa wyjściowego, przeprowadzenie sferoidyzowania, modyfikowania i zalewania form, wykonanych z materiałów zapewniających swobodne krzepnięcie i stygnięcie odlewów. Przeprowadzone i omówione badania struktury oraz właściwości mechanicznych, doprowadziły do ustalenia optymalnych wartości poszczególnych czynników i opracowania metod, zapewniających otrzymanie austenitycznego żeliwa sferoidalnego wysokiej jakości. Key words: austenitic ductile iron, chemical composition, manufacture, optimum p a- rameters. 1 Dr inż., atabor@mech.pk.edu.pl 2 Prof. zw. dr hab. inż. 333

2 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne, ze względu na bardzo dobre właściwości użytkowe, należy do czołowych stopów odlewniczych żelaza z węglem i znajduje zastosowanie przede wszystkim jako materiał na odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego, maszyn roln i- czych, odlewy rur i armatury oraz wiele innych [1,2,3,4,5,6]. Żeliwo austenityczne wysokoniklowe, zostało wprowadzone do produkcji już w 1930 roku jako żeliwo typu Ni-Resist, będące produktem firmy International Nickel Ltd. [7,8]. Żeliwo to, w licznych odmianach, o specjalnych właściwościach fizycznych, znalazło wszechstronne zastosowanie, będąc przede wszystkim materiałem odpornym na korozję chemiczną, a także na działanie wysokiej i niskiej temperatury oraz na korozję gazową. Tworzywo to, wytwarzane w USA i krajach Europy Zachodniej miało w latach największe tempo rozwoju produkcji i zastosowania odlewów z żeliwa sferoidalnego ok. 6% rocznie [9]. Struktura takiego żeliwa składa się z austenitu i grafitu, często z wydzieleniami węglika eutektycznego, którą uzyskuje się w wyniku przesunięcia temperatury przemiany eutektoidalnej, będącego wynikiem oddziaływania niklu, a także miedzi i magnezu poniżej temperatury pokojowej [8]. Mając na uwadze dane źródłowe [6,8,10], z których wynika, że mimo opracowania szeregu czynników decydujących o ukształtowaniu żeliwa sferoidalnego, strukt u- ry austenitycznej, to jednak wytwarzanie i jego zachowanie w wysokiej i n iskiej temperaturze, a także w specyficznych warunkach eksploatacji, jest wciąż niewystarczające. Dane te stanowiły podstawę do podjęcia w Politechnice Krakowskiej badań w tym zakresie i opracowania technologii produkcji tego tworzywa, dostosowanej do waru n- ków krajowych [6]. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Przeprowadzenie wytopów i odlewanie próbek do badań Dla uzyskania wymaganych, dla określonych warunków eksploatacyjnych, optymalnych właściwości mechanicznych austenitycznego żeliwa sferoidalnego, w programie badań założono ustalenie składu chemicznego żeliwa wyjściowego, ilościowy dobór odpowiednich dodatków stopowych (Ni, Cr, V, Mn) oraz wsadu metalowego, sferoidyzatora i modyfikatora. Wytopy żeliwa wyjściowego przeprowadzone zostały w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie, w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości o pojemności tygla 60 kg i wyłożeniu zasadowym. Przedstawiona w badaniach technologia, dostosowana jest do warunków krajowych; uwzględnia sposób wytapiania odpowiedniego wsadu metalowego, zapewniającego uzyskanie wymaganego składu chemicznego metodą sferoidyzowania i modyfikowania wytwarzanego żeliwa sferoidalnego, możliwy do zastosowania w kraju. 334

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Do badań ustalono następujący zakres składu chemicznego żeliwa wyjściowego: C=2,8 3,4%, Si=2,3-3,0%, Mn=ok.4,0%, P=ok.0,4% S=ok.0,015%. Natomiast zawartość pierwiastków stopowych mieściła się w przedziałach: Ni=10,0 25%, Cr=1,0 1,2%, V=0,5 0,8%. Wsad metalowy do wytopu żeliwa wyjściowego składał się ze specjalnej s u- rówki LS (SOREL METAL) o składzie: C=ok.3,9 4,5%, Si=1,01-1,50%, Mn=0,009%, Pma 0,07%, Sma 0,01%, wyprodukowanej przez Hutę Szczecin S.A., złomu obiegowego żeliwa sferoidalnego o znanym składzie chemicznym i małej zawartości siarki oraz: nawęglacza (antracytu), żelazokrzemu Si75, manganu elektrolitycznego, chromu metalicznego i żelazowanadu. Do zabiegu sferoidyzowania, z uwagi na wymaganą w wytwarzanym żeliwie sferoidalnym dużą zawartość niklu, zastosowano zaprawę FeNiMg17 (17% Mg). Po wprowadzeniu do żeliwa wyjściowego wyżej wymienionego sferoidyzatora, przeprowadzono zabieg modyfikowania przy użyciu żelazokrzemu Si75 o granulacji 1 3 mm w ilości 0,5 0,7% w stosunku do ciekłego metalu. Temperatura przegrzania kąpieli metalowej w piecu indukcyjnym wynosiła 1480ºC, natomiast sferoidyzowanie żeliwa przeprowadzono w kadzi odlewniczej JPK, przy temperaturze 1420ºC. Następnie, po modyfikowaniu żelazokrzemem, przy temp e- raturze 1390ºC odlewano wlewki (klin YII), wykonane zgodnie z normą PN-72/H83221, w formach piaskowych z masy bentonitowej. W celu uzyskania zróżnicowanych rodzajów żeliwa sferoidalnego przeprowadzono łącznie 5 wytopów. 3. WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ I ICH OMÓWIENIE Skład chemiczny żeliwa sferoidalnego uzyskanego z wyżej wymienionych wytopów zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny uzyskanego żeliwa sferoidalnego Zawartość wytopu C Si Mn P S Mg Ni Cr V 1 3,5 2,7 0,3 0,05 0,006 0,08 9, ,8 2,3 4,0 0,04 0,015 0,08 23, ,0 2,3 4,1 0,04 0,010 0,05 24,2 1,2-4 3,0 2,1 3,5 0,03 0,009 0,08 24,0-0,63 5 2,4 3,0 4,0 0,05 0,010 0,08 25,0-0,65 Dla określenia struktury żeliwa sferoidalnego uzyskanego do badań, przeprowadzono, zgodnie z normą PN-75/H-04661, badania metalograficzne, przy użyciu mikroskopu NEOPHOT 32, przy powiększeniu 100- i 500-krotnym, które doprowadziły do jakościowej oceny postaci wydzieleń grafitu oraz osnowy metalowej. Próbki do badań przygotowano zgodnie z obowiązującymi zasadami, zaś zgłady trawiono o d- czynnikiem Mi15Fe. Uzyskane wyniki tych badań przedstawiono w tabeli 2 i rys. 1 i

4 Tabela 2. Opis wydzieleń grafitu oraz osnowy badanego żeliwa sferoidalnego Postaci grafitu Osnowa wytopu 1 Gf9 Gw 90/60% martenzyt + austenit Gf8 Gw 90/40% Gf9 Gw 90/40% Gf8 Gw 90/60% austenit + węgliki eutektyczne i wtórne Rys. 1. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego z wytopu nr 1. martenzyt + austenit + grafit. Traw. Ni15Fe, pow. 500:1 Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego z wytopu nr 2 (tab.1). austenit + faza węglikowa + grafit. Traw. Ni15Fe, pow

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA W badaniach uwzględniono również zabieg homogenizowania próbek z uzyskanego żeliwa sferoidalnego o osnowie austenitycznej, w temperaturze 1000ºC w ciągu 6 i 10 godzin, dla oceny wpływu tego zabiegu na ujednorodnienie struktury i właściwości wytrzymałościowe tego tworzywa. Badania wytrzymałościowe przeprowadzono zgodnie z normami PN-91/H i PN-67/H Badania prowadzono przy temperaturze 20ºC na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 1273 o maksymalnym obciążeniu 100kN. Wyniki badań właściwości mechanicznych, określane na próbkach z wytopów 2,3,4 i 5, wykonanych z klinów YII zgodnie z PN, nie poddawanych obróbce cieplnej i po homogenizowaniu w temperaturze 1000ºC, zestawiono w tabelach 3-6. Tabela 3. Wyniki badań R m, R 0,2, A 5 i Z próbek z żeliwa sferoidalnego z wytopów 2-5 (bez obróbki cieplnej) R m R 0,2 A 5 Z wytopu MPa MPa % % ) wartości średnie z trzech pomiarów Tabela 4. Wyniki badań R m, R 0,2, A 5 i Z próbek z żeliwa sferoidalnego z wytopów 2-5po homogenizowaniu (1000ºC/6h) R m R 0,2 A 5 Z wytopu MPa MPa % % ) wartości średnie z trzech pomiarów Tabela 5. Wyniki badań R m, R 0,2, A 5 i Z próbek z żeliwa sferoidalnego z wytopów 2-5po homogenizowaniu (1000ºC/10h) R m R 0,2 A 5 Z wytopu MPa MPa % % ) wartości średnie z trzech pomiarów 337

6 Tabela 6. Wyniki badań udarności (KVC) żeliwa sferoidalnego z wytopów 2-5 wytopu Bez obróbki cieplnej Po homogenizowaniu 1000 C/6h Po homogenizowaniu 1000 C/10h KCV KCV KCV J/cm 2 J/cm 2 J/cm ) średnie wartości z trzech pomiarów Z przeprowadzonych badań wynika, że optymalne właściwości wytrzymałościowe wykazały próbki żeliwa sferoidalnego o osnowie austenitycznej z wytopów nr 2 i 4. Świadczy to o tym, że dobrany skład chemiczny żeliwa, a w szczególności zawartość niklu, zapewniły optymalne warunki dla mechanizmu kształtowania się grafitu kulkowego i osnowy austenitycznej, podczas krystalizacji żeliwa sferoidalnego z tych wytopów. Poza tym, korzystny wpływ na wyniki badanych właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego o osnowie austenitycznej z tych wytopów wykazał zabieg wygrzewania próbek (homogenizowania) w temperaturze 1000ºC. Zabieg ten potwierdził korzystny mechanizm ukształtowania i ujednorodnienia ostatecznej struktury osnowy badanego żeliwa, z wydzieleniami bardzo drobn ej, o kulistym kształcie fazy węglikowej. Z przeprowadzonych badań wynika, że dla zapewnienia wysokiej jakości żeliwu sferoidalnemu o osnowie austenitycznej, skład chemiczny żeliwa wyjściowego przed sferoidyzowaniem powinien mieścić się w przedziałach: 3,0-3,5% C, 1,8-2,0% Si, 3,5-4,0% Mn, 0,04% P, 0,02% S, 20-24% Ni. Dla uzyskania żeliwa o wyżej wymienionym składzie chemicznym i minimalną zawartością innych pierwiastków poza układem podstawowym, najkorzystniejszy wsad metalowy powinien składać się z surówki LS, miękkiego, bez pierwiastków stopowych, złomu stalowego, złomu obiegowego żeliwa sferoidalnego aust e- nitycznego, w miarę potrzeby z czystych żelazostopów FeSi, FeMn, elektrokostek itp. Przed sferoidyzowaniem żeliwo powinno zostać przegrzane do temperatury ok. 1480ºC. Z uwagi na korzystny wpływ niklu na kształtowanie struktury o osnowie austenitycznej, do sferoidyzowania najlepiej jest zastosować zaprawę magnezowoniklową o zawartości 17% Mg w ilości 1,8-2,0% w stosunku do masy metalu, dostos o- wanej do metody wprowadzania stopu, zapewniającej uzyskanie zawartości magnezu w żeliwie w zakresie 0,03-0,05 Mg%. 338

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Najkorzystniejszym modyfikatorem wpływającym na utworzenie optymalnego kształtu i ilości grafitu kulkowego oraz struktury osnowy metalowej jest czysty technicznie żelazokrzem FeSi75T, nie zawierający aluminium. Istotny wpływ na ukształtowanie właściwej struktury żeliwa ma temperatura odlewania żeliwa oraz rodzaj formy. Z badań wynika, że temperatura odlewania powinna być utrzymana w granicach ºC, zaś materiał na formy powinien zapewniać swobodne krzepnięcie i stygnięcie odlewów. Mimo tego, przy dużym zróżnicowaniu grubości ścianek odlewów, zapewnienie odlewom takiego krzepnięcia i stygnięcia nie zawsze jest możliwe, dlatego też dla doprowadzenia do optymalizacji właściwości mechanicznych, korzystne okazuje się homogenizowanie odlewów w temperaturze 1000ºC, w zależności od grubości ścianek w czasie 6-10 godzin. Dotrzymanie wyżej wymienionych warunków procesu wytwarzania odlewów z żeliwa sferoidalnego o osnowie austenitycznej, zapewnia uzyskiwanie tego tworzywa o optymalnych właściwościach mechanicznych. Przeprowadzone badania wykazały, że najlepsze wyniki uzyskane zostały w przypadku próbek z wytopów nr 2 i 4. Z przedstawionych i omówionych wyników badań wynika, że założony cel, tj. optymalizacja składu chemicznego i procesu technologicznego, ze względu na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego o austenitycznej osnowie metalowej, został osiągnięty. W artykule wykorzystano część wyników badań prowadzonych w ramach Projektu Badawczego Nr T08B Umowa KBN Nr 340/T08/97/13. Mikrofotografie Pani Janina Radzikowska LITERATURA [1] Piaskowski J., Jankowski A.: Żeliwo sferoidalne. Wydanie I i II, PWT, Warszawa WNT, Warszawa [2] Piaskowski J.: Żeliwo sferoidalne. Metody produkcji, własności. Badanie. Praca naukowo-badawcza, nr Instytut Odlewnictwa, [3] Rączka J., Tabor A., Haduch Z.: Odlewnictwo. Skrypt Politechniki Krakowskiej, Kraków [4] Rączka J. S., Tabor A., Lewandowski K.: Nowoczesna metoda produkcji żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem nowej konstrukcji urządzenia GLINPOL 96 do zabezpieczającego wymogi bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Etap I Projektu Celowego Nr 7T08B03696C/2950. Politechnika Krakowska, [5] Tabor A.: Polskie urządzenie do ekologicznej produkcji żeliwa sferoidalnego. Dwumiesięcznik Politechniki Krakowskiej Politechnika, nr 3 (15) 99, s.26. [6] Tabor A., Rączka J. S.: Mechanizm procesu krystalizacji i kształtowania struktury oraz właściwości austenitycznego żeliwa sferoidalnego. Politechnika Kra- 339

8 kowska. Projekt badawczy KBN, nr: T08B03013, nr: 340/T08/97/13, Kraków [7] Rickard A. J.: Giesserei 68 (1981), nr 3, s.61. [8] Podrzucki C.: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. T. I i II. Wyd. Z. G. STOP, Kraków [9] Nickel O.: Giesserei 68(1981), nr 3. s.59. [10] Tyszko Z.: Stosowanie żeliwa w przemyśle chemicznym. Mat. Konf. s.140, Gdańsk [11] Górny Z. i in.: Teoria procesów technologicznych w odlewnictwie metali. Wyd. Naukowo-techniczne, Warszawa OPTIMIS ING THE CHEMICAL COMPOSITION AND TECHNOLOGY OF MAKING AUSTENITIC DUCTILE IRON TO ADAPT THE PROCESS TO THE DOMESTIC CONDITIONS. SUMMARY The study gives a critical review of data published so far in scientific and technical literature on the methods of manufacturing austenitic ductile iron. It has been noted that in spite of progress made in our knowledge on numerous factors affecting the formation of structure and properties of this cast material, under some specific performance conditions its behaviour is still not fully satisfactory. This was the reason for starting the investigation which finally resulted in determining an optimum chemical composition of cast iron, choice of the composition of metal charge, specification of appropriate technological process, including melting of base iron, spherodising trea t- ment, inoculation and pouring of moulds made from materials which ensure free solid i- fication and cooling of castings. The eaminations of structure and mechanical properties carried out and d e- scribed in the present study resulted in determination of optimum parameters and in developing the methods which ensure manufacture of high-quality austenitic ductile iron. Recenzował: prof. dr hab. inż. Edward Guzik 340