OCENA SKUTECZNOŚCI RÓŻNYCH MODYFIKATORÓW DLA ŻELIWA

Transkrypt

1 24/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN OCENA SKUTECZNOŚCI RÓŻNYCH MODYFIKATORÓW DLA ŻELIWA M. S. SOIŃSKI 1, M. MITKO 2, S. TOMCZYŃSKI 3, M. TOMŻYŃSKI 4 Katedra Odlewnictwa, Politechnika Częstochowska al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE Porównano oddziaływanie dwóch modyfikatorów: SB-5 (zawierającego obok krzemu, żelaza, wapnia i aluminium około 2% baru) i RZM 55 + Ce (zawierającego obok zazwyczaj występujących pierwiastków około 4,5% cyrkonu i niewielkie ilości metali ziem rzadkich) na strukturę i właściwości mechaniczne oraz skłonność do grafityzacji żeliwa. Key words: cast iron, inoculation, inoculant 1. WSTĘP Modyfikację definiuje się [1] jako działanie polegające na wprowadzeniu do ciekłego metalu lub stopu odpowiedniej substancji, która powoduje zmiany mikrostruktury większe niż wynikałoby to ze zmiany składu chemicznego. W przypadku żeliwa omawiany zabieg polega najczęściej na dodaniu do ciekłego metalu niewielkiej ilości modyfikatora, co prowadzi przy założeniu, że tworzywo wyjściowe cechuje się niewielką zdolnością do zarodkowania grafitu do bardzo istotnego wzrostu zdolności żeliwa do grafityzacji. Następuje wyraźne rozdrobnienie wydzieleń grafitu i wzrost właściwości wytrzymałościowych. Efekt modyfikacji ciekłego żeliwa zależy od składu chemicznego żeliwa wyjściowego, jego temperatury przegrzania, czasu wytrzymania w tej temperaturze, ciśnienia i rodzaju atmosfery nad kąpielą, rodzaju i zużycia modyfikatora oraz temperatury ciekłego żeliwa w czasie modyfikacji, a także warunków odlewania do formy odlewniczej i warunków krzepnięcia oraz stygnięcia 1 dr hab. inż. 2 dr inż. 3 dr inż. 4 mgr inż.

2 188 odlewu [2]. Należy tutaj zwrócić uwagę na fakt, że skuteczność zabiegu modyfikacji grafityzującej jest ograniczona w czasie i po pewnym jego upływie nie obserwuje się już korzystnych zmian związanych z tym zabiegiem. Wytworzenie żeliwa modyfikowanego obejmuje dobór i przygotowanie żeliwa wyjściowego i modyfikatorów, wprowadzenie modyfikatorów do ciekłego żeliwa i jego odlewanie oraz kontrolę procesu [3]. 2. BADANIA WŁASNE W ramach pracy podjęto badania oceny skuteczności modyfikującego oddziaływania dwóch modyfikatorów używanych do obróbki żeliwa podeutektycznego. Pierwszy z nich, SB-5, zawiera 64 67% Si, około 2% Ba, 1,5% Al i 1% Ca. Drugi modyfikator, RZM 55 + Ce, zawiera, obok krzemu, metale ziem rzadkich w ilości 0,20%, 1,96% Ca, 1,47% Al, 4,51% Mn oraz 4,55% Zr. W pracy chodziło także o określenie możliwości wytworzenia żeliwa oznaczonego wg normy [4] jako EN-GJL Badaniami objęto żeliwo obrobione obu wymienionymi modyfikatorami, przy czym każda z tych substancji była wprowadzana do żeliwa w ilości 0,2% i 0,4% (wagowo). Dla określenia wpływu czasu na efekt zabiegu modyfikacji komplety prób badawczych odlewano po upływie 3, 8, 13 i 18 minut po przeprowadzonej obróbce. Każdorazowo odlewano płyty o grubościach 6, 15, 24 mm (spełniające warunki płyty o nieskończonej długości) oraz kliny do badania skłonności żeliwa do grafityzacji (zgodnie z normą [5]) i próbki do badań wytrzymałości na rozciąganie. Próbki do badań odlewano w Odlewni Żeliwa w Ścinawce Średniej, należącej do Fabryki Armatury Przemysłowej ZETKAMA w Kłodzku. Skuteczność zabiegu modyfikacji oceniano na podstawie próby klinowej oraz zmiany ilości ziaren eutektycznych w żeliwie modyfikowanym i wyjściowym. Ponadto określono wytrzymałość żeliwa na rozciąganie i twardość. Żeliwo wytapiano w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości o pojemności 1 tony. Po przegrzaniu metalu do temperatury ok C korygowano skład chemiczny. Część metalu przelewano do kadzi bębnowej (pośredniej) o pojemności 500 kg. Zabieg modyfikacji przeprowadzono dozując odpowiednie ilości modyfikatora na strugę metalu podczas przelewania z kadzi pośredniej do kadzi rozlewniczej. Kadź tę napełniano nieco powyżej ¾ pojemności, tzn. do około 170 kg i ściągano żużel. Temperatura żeliwa przed modyfikacją mieściła się w granicach C. Ciekły metal po modyfikacji mieszano za pomocą stalowego pręta. Formy z płytami zalewano na linii zalewania automatu formierskiego FBO III bezpośrednio z kadzi rozlewniczej. Formy z prętami do badań wytrzymałości na rozciąganie oraz z próbami klinowymi zalewano przy użyciu łyżki odlewniczej, którą pobierano odpowiednie porcje metalu z kadzi rozlewniczej. Bliższe dane dotyczące przeprowadzonych prób, temperatury odlewanego żeliwa i jego składu chemicznego, zestawiono w tabeli 1. W tabeli 2 podano numery klinów do badania skłonności żeliwa do grafityzacji, odlanych w trakcie badań, oraz cechy grafitu i wyniki oceny ilości

3 189 perlitu i ferrytu występującego na zgładach badanych próbek. Próbki do tych badań zostały wycięte ze ścianek o grubości 15 i 24 mm. Tabela 1. Dane dotyczące przeprowadzonych prób, temperatury odlewanego żeliwa i jego składu chemicznego Table 1. Data concerning performed tests, the temperature of the cast iron and its chemical composition Nr próby Ilość dodanego modyfikatora, [%] (w stos. do masy ciekł. żeliwa) Upływ czasu od momentu modyfikacji do momentu zalania form [min] Rodzaj modyfikatora Temperatura odlewanego żeliwa [ o C] Zawartość podstawowych pierwiastków 1) [%] C Si Mn 110 Żeliwo wyjściowe ,18 1,45 0,58 0, ,14 1,61 0,57 0, ,14 1,59 0,56 0,840 0, ,12 1,58 0,56 0, ,12 1,57 0,57 0,833 SB ,08 1,75 0,54 0, ,08 1,78 0,55 0,837 0, ,07 1,74 0,54 0, ,07 1,73 0,54 0, ,09 1,60 0,56 0, ,04 1,62 0,55 0,815 0, ,04 1,58 0,56 0, ,98 1,55 0,54 0,794 RZM 55+Ce ,06 1,72 0,55 0, ,03 1,70 0,5 0,815 0, ,00 1,70 0,55 0, ,96 1,73 0,56 0,803 1) Zawartość fosforu w granicach 0,08 0,10%; zawartość siarki w granicach 0,06 0,07% 2) Przy obliczaniu wartości S c uwzględniono zawartość w żeliwie szeregu pierwiastków nie podanych w tabeli W tabeli 3 zestawiono dane dotyczące oceny ilości ziaren eutektycznych w badanym żeliwie oraz jego wytrzymałości na rozciąganie i twardości. 3. PODSUMOWANIE Z danych zawartych w tabeli 1 wynika, że żeliwo wyjściowe miało odpowiedni skład chemiczny dla uzyskania po modyfikacji żeliwa o wytrzymałości na rozciąganie min. 250 MPa. Zawartość węgla wynosiła 3,18%, krzemu 1,45% i manganu 0,58% wobec zalecanych przez autorów pracy [3] zawartości tych pierwiastków odpowiednio w granicach 3,1 3,3%, 1,3 1,5% oraz 0,6 0,8%. S c 2)

4 190 Tabela 2. Wyniki badania skłonności żeliwa do grafityzacji i cechy grafitu oraz wyniki oceny ilości perlitu i ferrytu występującego w badanym żeliwie Table 2. Results of examination of the cast iron susceptibility to graphitization, graphite features and results of estimation of quantity of pearlite and ferrite occurring in the examined cast iron Numer próby Nr klina 1) Cechy żeliwa określone na próbkach wyciętych ze ścianek o grubości 2) Powierzchnia na zgładzie zajmowana przez perlit i ferryt określona na próbkach pobranych z płytek o grubościach 3) [mm] 15 mm 24 mm IA5 (50%) IA3+(50%) ID6 P/FeO P/FeO 111 7~8 IA4 IA3 P96/Fe4 P/FeO IA4 IA3 P/FeO P96/Fe IA4 IA3 P/FeO P96/Fe IA4 IA3 P/FeO P96/Fe IA4 IA3 P/FeO P/FeO 122 6~7 IA4 IA3 P/FeO P/FeO IA4 IA3 P/FeO P/FeO IA4 IA3 P96/Fe4 P96/Fe IA4 IA3 P96/Fe4 P/FeO 212 6~7 IA4 IA3 P/FeO P/FeO (20%) IC4+(80%) IA4 IA3 P/FeO P/FeO (20%) IC4+(80%) IA4 IA3 P/FeO P/FeO IA4 IA4 P96/Fe4 P/FeO (30%) IC4+(70%) IA4 IA3 P/FeO P/FeO (20%) ID6+(80%) IA4 IA3 P/FeO P/FeO (60%) ID6+(40%) IA5 IA3 P96/Fe4 P96/Fe4 1) określony wg PN 61/H ) określone wg PN EN ISO 945 3) oceniona wg PN 75/H Odlewy z żeliwa wyjściowego charakteryzowały się klinem nr 3 wg normy PN-61/H-04675, co potwierdza poprawność doboru składu chemicznego. Po zabiegu modyfikacji numer klina wzrasta do 7 8, a w przypadku modyfikatora SB-5, użytego w ilości 0,4%, osiąga wartość 10 (patrz tabela 2). W miarę upływu czasu obserwuje się stopniowy zanik efektu modyfikacji, przejawiający się wzrostem stopnia zabielenia. Z uwagi na niewielką porcję odlewanego żeliwa obserwuje się stosunkowo szybki spadek temperatury stopu (w granicach K w przeciągu 15 minut). Efektem obróbki modyfikującej w każdym przypadku było uzyskanie grafitu o kształcie płatkowym (tabela 2). Z porównania mikrostruktury żeliwa wyjściowego i modyfikowanego przy użyciu zastosowanych modyfikatorów wynika, ze obróbka doprowadziła do likwidacji niemal we wszystkich przypadkach zabielenia

5 191 występującego w płycie o grubości 6 mm. Jedynie w odniesieniu do żeliwa obrobionego modyfikatorem RZM 55 + Ce w ilości 0,2%, odlewanego po upływie 18 minut od momentu modyfikacji, obserwuje się strukturę żeliwa zabielonego. Z danych zawartych w tabeli 2 wynika, że w przypadku odlewów o grubości ścianek 15 i 24 mm występuje niemal czysto perlityczna osnowa. Tabela 3. Wyniki oceny ilości ziaren eutektycznych w badanym żeliwie oraz jego wytrzymałość na rozciąganie i twardość Table 3 Results of estimation of the quantity of eutectic grains in the examined cast iron, its tensile strength and hardness Numer próby Ilość ziaren eutektycznych w próbce o grubości ścianek [1 cm - 2 ] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Twardość HB określona na próbkach pobranych z płyt o grubościch [mm] 15 mm 24 mm Niedolew Niedolew Niedolew Modyfikacja żeliwa doprowadziła do kilkukrotnego wzrostu ilości ziaren eutektycznych (por. dane w tabeli 3). We wszystkich przypadkach obserwuje się dla żeliwa o grubości ścianki 24 mm wyraźnie mniejsze ilości komórek eutektycznych, aniżeli w przypadku ścianek 15 mm (pochodzących z tego samego żeliwa). Mimo upływu czasu od momentu modyfikacji na ogół nie obserwuje się tendencji do drastycznego zmniejszenia ilości komórek eutektycznych dla rozpatrywanego okresu czasu. Jedynym wyjątkiem jest żeliwo obrobione modyfikatorem RZM 55 + Ce w ilości 0,2%, pochodzące ze ścianek o grubości 15 mm. Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa wyjściowego była na stosunkowo wysokim poziomie (ok. 320 MPa). W przypadku próbki o grubości 6 mm było ono jednak zabielone. Przeprowadzenie modyfikacji we wszystkich przypadkach

6 192 doprowadziło do uzyskania bezpośrednio po tym zabiegu żeliwa o Rm > 250 MPa (patrz tabela 3). Wytrzymanie metalu przez kolejne 5 minut zapewniło uzyskanie tworzywa o minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 250 MPa tylko w przypadku żeliwa obrobionego modyfikatorem SB-5 w ilości 0,4% i żeliwa obrobionego RZM 55 + Ce w ilości 0,2%. Wytrzymanie stopu po obróbce przez kolejne 5 minut (do około 13 minut od momentu modyfikacji) prowadzi do uzyskania żeliwa o wymaganej wartości Rm tylko w dwóch wyżej wymienionych przypadkach. Przetrzymanie ciekłego żeliwa przez 18 minut po zabiegu modyfikacji w żadnym przypadku nie zapewniło wymaganej wytrzymałości na rozciąganie. Twardość żeliwa po modyfikacji określona na ściankach o grubości 15 i 24 mm mieściła się przeważnie w granicach HB. W przypadku wytwarzania odlewów przy wymaganym czasie zalewania w granicach 13 minut ( co ma stosunkowo często miejsce w przypadku Odlewni Żeliwa w Ścinawce Średniej) i przy uwzględnieniu faktu, że wykonywane odlewy są poddawane obróbce mechanicznej, najwłaściwszym rozwiązaniem zdaje się być użycie do zabiegu modyfikatora SB 5 w ilości 0,4%. Badania wykonano w ramach projektu celowego KBN Nr 10 T C/5366. LITERATURA [1] Perzyk M., Waszkiewicz S., Kaczorowski M., Jopkiewicz A.: Odlewnictwo. WNT, Warszawa [2] Guzik E., Porębski M.: Nowy kompleksowy modyfikator typu KOMO dla żeliwa wysokojakościowego. Acta Metallurgica Slovaca, vol. 8, 2002, nr 2/2002 (2/2), s [3] Podrzucki C., Kalata C.: Metalurgia i odlewnictwo żeliwa. Wyd. Śląsk, Katowice [4] Polska Norma PN-EN1561. Odlewnictwo. Żeliwo szare. [5] Polska Norma PN-61/H Badania technologiczne żeliwa szarego. Sprawdzenie skłonności żeliwa do grafityzacji. AN ASSESSMENT OF THE EFFECTIVENES OF VARIOUS INOCULANTS FOR CAST IRON SUMMARY There have been compared the influence of two inoculants: SB-5 (containing along with silicon, iron, calcium, and aluminium also 2% of barium) and RZM55 + Ce (containing beyond the usually occurring elements also about 4,5% of zirconium and little quantities of rare earth metals) on the cast iron structure, mechanical properties, and susceptibility to graphitization. Recenzował Prof. Józef Gawroński