Struktura niskostopowego staliwa ilościowa analiza zanieczyszczeń

Transkrypt

1 A R C H I V E S of F O U N D R Y E N G I N E E R I N G Published quarterly as the organ of the Foundry Commission of the Polish Academy of Sciences ISSN (897-) Volume Special Issue / / Struktura niskostopowego staliwa ilościowa analiza zanieczyszczeń D. Bartocha*, J. Suchoń Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska, ul. Towarowa 7, - Gliwice, Polska *Kontakt korespondencyjny: dariusz.bartocha@polsl.pl Otrzymano 9.7.; zaakceptowano do druku.8. Streszczenie łasności mechaniczne staliwa są funkcja przede wszystkim składu chemicznego i warunków krzepnięcia czyli struktury pierwotnej, jednak znaczącą rolę odgrywa także jego jakość rozumiana jako czystość metalurgiczna czyli jak najmniejsza zawartość szkodliwych składników struktury. artykule przedstawiono wyniki analizy ilościowej porowatości i wtrąceń niemetalicznych w strukturze s taliwa. Do histogramów rozkładu zanieczyszczeń dopasowano statystycznie funkcję, której współczynniki można traktować jako parametry niepożądanych składników struktury. Przeanalizowano wpływ zawartości O, N, P i S na wartości współczynników funkcji aproksymującej. Słowa kluczowe: Staliwo konstrukcyjne, trącenia niemetaliczne, Analiza ilościowa struktury. stęp Spośród krajowych staliw konstrukcyjnych stopowych (PN- 9/H-86) i odpornych na ścieranie (PN-88/H-86) najwyższe właściwości mechaniczne tj. Rm i Re posiada staliwo LHGSNM (Tabela ). ysokie, według normy, Rm > MPa i Re > MPa tego staliwa predysponuje je wręcz do zastosowania na silnie obciążone elementy maszyn. przeciwieństwie do stali jedyną metodą polepszania właściwości i struktury w staliwie jest obróbka cieplna o odpowiednich parametrach, co czyni ten zabieg niezmiernie ważnym w przypadku odlewów konstrukcyjnych. Nie bez znaczenia jest tutaj skład chemiczny oraz zawartość zanieczyszczeń metalicznych i niemetaliczny i struktura pierwotna odlewu. Niezmiernie istotne są parametry niepożądanych składników struktury, ich ilość, rozmiary, kształt udział objętościowy. pracy przedstawiono wyniki analizy ilościowej zanieczyszczeń w strukturze staliwa LHGSNM wytopionym w warunkach laboratoryjnych []. Analizie ilościowej poddano nietrawione zgłady metalograficzne próbek pobranych z odlewów próbnych z wykorzystaniem automatycznego analizatora obrazu NIS-ELEMENTS BR... Materiał Staliwem badanym było staliwo wzorowane, pod względem składu chemicznego, na staliwie LHGSNM. Skład chemiczny oraz własności mechaniczne określone w polskiej normie przedstawiono w tabeli A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

2 Tabela. Skład chemiczny i własności mechaniczne staliwa LHGSNM [%] Table. Chemical composition and mechanical properties of LHGSNM cast steel [%] C Si Mn P S Cr Mo Ni,8-,,7-,,8-, <, <,,6-,9,- R m [MPa] R eh [MPa] A [%] [%] HB,9-, ytopy staliwa przeprowadzono w piecu tyglowym indukcyjnym o wyłożeniu kwaśnym o pojemności kg, masa wytopionego staliwa wynosiła kg. Staliwo w trakcie czterech dwu etapowych wytopów poddano różnym wariantom zabiegów metalurgicznych i modyfikacji [], w ramach wytopów wykonano 8 odlewów próbnych (rys. ). Masa odlewu wynosiła kg, a jego geometrię odlewu i nadlewu wzorowano na stosowanych w przemyśle odlewach próbnych do określania własności mechanicznych. ostała ona tak dobrana, aby uzyskać odlew maksymalnie niepodatny na powstanie w nim wad odlewniczych pochodzenia skurczowego. Skład chemiczny uzyskanego staliwa, został przedstawiony w tabeli. awartość tlenu całkowitego, azotu oraz wodoru, określono metodą topienia próbki, umieszczonej w tyglu grafitowym w analizatorze zawartości azotu, tlenu i wodoru TCHEN6 firmy LECO, wykorzystując próbki pręcikowe pobrane w charakterystycznych fazach każdego z wytopów. Otrzymane wyniki zaprezentowano w tabeli. Dla trzeciego wytopu równocześnie z pobraniem próbek pręcikowych i określono zawartość aktywnego tlenu w topionym staliwie aparatem Celox firmy Heraeus Electro-Nite, zmierzone wartości podano w nawiasach. Tabela. Skład chemiczny staliwa z poszczególnych wytopów Table. Chemical compositions of melted cast steel Nr wyt. C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Cu _,7,,8,9,9,,67,,6,6 _,,6,7,9,6,,66,,,6 _,,7,86,7,,8,6,,9,7 _,,9,8,8,6,8,6,,,6 _,,,96,8,,,6,,,6 _,,6,9,9,,,6,,,6 _,,7,9,,,,6,,,7 _,,67,88,9,,6,66,6,,7 Tabela. awartość O, N i H w staliwie z poszczególnych wytopów Table. Contents of O, N and H in cast steel Nr wyt. Nr pr. N O H 8 <,6 7 <,6 <,6,6 <,6 <,6 9 (6),6 (6) <,6 9 7 <,6 9 9,6 <,6 7 7 <,6 nawiasach podano zawartość aktywnego tlenu zmierzoną bezpośrednio w ciekłym metalu apratem Celox firmy Heraeus Electro-Nite odlewów próbnych wycięto próbki do dalszych badań, umiejscowienie pobrania próbek przedstawiono na rysunku. głady metalograficzne wykonano na powierzchni górnej (nadlew) i dolnej próbki (odlew) z uwagi na dużą różnicę twardości mierzonej na tych powierzchniach przy grubości próbki mm. Analizę ilościową struktury próbki od strony nadlewu jak i odlewu przeprowadzono w identyczny sposób. Rys.. Miejsce pobrania próbki z odlewu próbnego Fig.. Specimen cutting out place of experimental casting geometry 6 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

3 . Badania Na podstawie analizy wtrąceń w strukturze badanego staliwa, wyznaczono rozkłady liczby obiektów na mm oraz procentowego udziału obiektów w klasach wartości zlogarytmowanego pola powierzchni. Oddzielnej analizie poddano zanieczyszczenia gazowe, nazywane dalej porowatościami i zanieczyszczenia w formie stałej nazywane dalej wtrąceniami niemetalicznymi. Przykładowe zdjęcia struktury staliwa wytop _ przedstawiono na rysunkach - oznaczone porowatości i oznaczone wtrącenia niemetaliczne. rysunkach i, a histogramy rozkładu wtrąceń niemetalicznych na rysunkach 6 i 7. Rys.. Rozkład ilości porowatości w klasach wielkości Fig.. The quantity distribution of porosity in the size classes Rys.. Struktura staliwa - oznaczone porowatości Fig.. Cast steel microstructure with marked porosity Rys.. Rozkład procentowego udziału porowatości w klasach wielkości Fig.. The percentage fraction distribution of porosity in the size classes Rys.. Struktura staliwa, oznaczone wtrącenia niemetaliczne Fig.. Cast steel microstructure with marked non-metallic inclusions Przykładowe histogramy rozkładu liczby porowatości na mm oraz procentowego udziału w klasach wartości zlogarytmowanego pola powierzchni wyznaczone dla odlewu próbnego _, na powierzchni próbki od strony nadlewu przedstawiono na Rys. 6. Rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości Fig. 6. The quantity distribution of non-metallic inclusions in the size classes A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, - 7

4 Rys. 7. Rozkład procentowego udziału porowatości w klasach wielkości Fig. 7. The percentage fraction distribution of porosity in the size classes U =,8; =,68; =,768 Rys. 9. Krzywa aproksymująca rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości Fig. 9. Approximation curve of percentage fraction distribution of porosity in the size classes Do uzyskanych rozkładów dopasowano statystycznie metodą regresji krokowej funkcję aproksymującą o postaci: exp( ( ln( P / O))) Na( P / O) U ( exp( ( ln( P / O)))) () gdzie: U wskaźnik sumarycznej ilości obiektów, zróżnicowanie wielkości obiektów, średnia logarytmiczna wielkość powierzchni obiektów. yznaczając wartości współczynników równania () U, i, które można traktować jako parametry niepożądanych składników struktury []. Przykładowe przebiegi krzywej aproksymującej wyznaczone dla rozkładów prezentowanych na rysunkach - 7 przedstawiono na rysunkach odpowiednio 8, 9, i. U =,6; =,6; =,868 Rys.. Krzywa aproksymująca rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości Fig.. Approximation curve of the quantity distribution of nonmetallic inclusions in the size classes U = 68,9; =,; =,6 Rys. 8. Krzywa aproksymująca rozkład ilości porowatości w klasach wielkości Fig. 8. Approximation curve of the quantity distribution of porosity in the size classes U =,; =,7; =,7 Rys.. Krzywa aproksymująca rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości Fig.. Approximation curve of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes 8 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

5 . yniki estawienie uzyskanych wyników w postaci wartości współczynników równania (), wraz ze statystycznymi parametrami ich wyznaczenia, dla porowatości przedstawiono w tabelach -7 a odpowiadające im wykresy na rysunkach -, a dla wtrąceń niemetalicznych w tabelach 8- a odpowiadające im wykresy na rysunkach 6-9, Tabela. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości porowatości w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - nadlew Table. Approximation function of quantity distribution of porosity in the size classes coefficient and statistical parameters - riser Nr U* - Odch. Std. R Test F np,6,,79,,9 7,7 np,68,,6 9,,9 9,8 np,77,, 7,,9, np,6,6,,,8 8,7 np,8,6,7 9,,87 9,9 np,7,6,8 9,8,9,9 np,7 -,, 9,9,8 8, np,,7,,,9,9 Tabela. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - nadlew Table. Approximation function of percentage fraction distribution of porosity in the size classes coefficient and statistical parameters - riser Nr U Odch. std. R Test F np,6,79,9,,7,99 np,,6,76,,7 6, np,6,7,9,,8 7,66 np,,8,9,,8, np,6,7,7,,79,9 np,,,8,,, np,7,88,98,9,89 7,76 np,6,9,,,79, Tabela 6. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości porowatości w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - odlew Table 6. Approximation function of quantity distribution of porosity in the size classes coefficient and statistical parameters - casting Nr U* - Odch. Std. R Test F op,,6,7 8,69,9 7,9 op,,,8 9,,9,9 op,9,,78,6,9 6, op,96,,7 7,,89,9 op,7,,9 9,7,9 9,9 op,7 -,,8,7,87 6,7 op,8,,,9,7 6,6 op,,9,7,6,7 9,6 Tabela 7. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - odlew Table 7. Approximation function of percentage fraction distribution of porosity in the size classes coefficient and statistical parameters - casting Nr U Odch. std. R Test F op,6,79,9,,7,99 op,,,,,7,8 op,,77,9,,7, op,,,8,,9,9 op,,,96,,, op,,9 6,7,,8,99 op,,6 6,8,,8,7 op,,9,9,,9 9,6,,,, nadlew porowatości Na[/mm ],,, -, np np np np np np np np U*^- Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości porowatości w klasach wielkości - nadlew Fig.. Approximation function of quantity distribution of porosity in the size classes coefficient - riser A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, - 9

6 nadlew porowatości Vv[%] odlew porowatości Vv[%], 7,, 6,,,,,,,,,,,, np np np np np np np np U, op op op op op op op op U Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości - nadlew Fig.. Approximation function of percentage fraction distribution of porosity in the size classes coefficient - riser,,,,,,,,, -, op op op odlew porowatości Na[/mm ] op op op op op U*^- Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości porowatości w klasach wielkości - odlew Fig.. Approximation function of quantity distribution of porosity in the size classes coefficient - casting Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości - odlew Fig.. Approximation function of percentage fraction distribution of porosity in the size classes coefficient - casting Tabela 8. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - nadlew Table 8. Approximation function of quantity distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient and statistical parameters - riser Nr U* - Odch. Std. R Test F nw,86,,,9,86 9,86 nw,,,9,8,9,7 nw,,,77,,86 8,78 nw,68,6,8,9,86, nw,8,,,8,9, nw,,8,67,,9,8 nw,8,8,,8,9,6 nw,,,,9,87, Tabela 9. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - nadlew Table 9. Approximation function of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient and statistical parameters - riser Nr U Odch. std. R Test F nw,,68,,,8 7,8 nw,,7,7,,86 9,9 nw,,6,8,,88, nw,7,8,,,76 6,7 nw,6,8,77,,9, nw,,7,,,9, nw,7,78,9,,8 8,9 nw,6,9,,,8 7,7 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

7 Tabela. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - odlew Table. Approximation function of quantity distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient and statistical parameters - casting Nr U* - Odch. Std. R Test F ow,8, 7,,8,9 9,9 ow,9,,,,89 9,7 ow,,,,,88, ow,,9,86,8,88, ow,,7,78,78,97, ow,78,8,97,7,9, ow,7,6,97,7,86, ow,6,,,67,8 7,78,,,,,,,,,, nadlew wtarcenia Vv[%] nw nw nw nw nw nw nw nw U Tabela. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości oraz wartości parametrów statystycznych - odlew Table. Approximation function of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient and statistical parameters - casting Nr U Odch. std. R Test F ow,6,9,6,,68,7 ow,,8,,,87, ow,6,66,,,8 9, ow,6,87,6,,88, ow,,,,,9, ow,,7,7,,9, ow,6,88,68,,7,7 ow,,78,9,,8 8,9 Rys. 7. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości - nadlew Fig. 7. Approximation function of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient - riser 7,,,, 9, odlew wtarcenia Na[/mm ] 7, nadlew wtarceniai Na[/mm ],,,, -, ow ow ow ow, ow ow ow ow U*^-,,,, Rys. 8. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości - odlew Fig. 8. Approximation function of quantity distribution of nonmetallic inclusions in the size classes coefficient and statistical parameters - casting -, nw nw nw nw U*^- nw nw nw nw Rys. 6. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości - nadlew Fig. 6. Approximation function of quantity distribution of nonmetallic inclusions in the size classes coefficient - riser A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

8 Na[/mm ] Vv[%] Na[/mm ] Vv[%] odlew wtarcenia Vv[%], 6,,,,,,, np np np np np np np np,,, U N*^- O*^- S*^ P*^, ow ow ow ow ow ow ow ow Rys. 9. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości - odlew Fig. 9. Approximation function of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient - casting. Analiza wyników Poszukując czynników wpływających najintensywniej na wartości współczynników funkcji aproksymującej rozkłady niepożądanych składników struktury, nie popełniając dużego błędu można odgraniczyć się do zawartości tlenu, azotu, siarki i fosforu w staliwie. celu ułatwienia oszacowania i zobrazowania wpływu zawartości tych pierwiastków na parametry niepożądanych składników struktury, wartości współczynników U,,, dokonano graficznego zestawienia ich wartości, co zaprezentowano na rysunkach 7. U Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - nadlew Fig.. Approximation function of percentage fraction distribution of porosity in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - riser - U*^- N*^- O*^- S*^ P*^ Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości porowatości w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - odlew Fig.. Approximation function of quantity distribution of porosity in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - casting op op op op op op op op 8 np 7 np np np np np np 6 op op op op op op np op op U*^- N*^- O*^- S*^ P*^ - Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości porowatości w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - nadlew Fig.. Approximation function of quantity distribution of porosity in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - riser U N*^- O*^- S*^ P*^ Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego porowatości w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - odlew Fig.. Approximation function of percentage fraction distribution of porosity in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - casting A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

9 Na[/mm ] Vv[%] Na[/mm ] Vv[%] 6 6 nw ow nw nw ow ow nw nw ow ow nw nw ow ow nw ow U*^- N*^- O*^- S*^ P*^ U N*^- O*^- S*^ P*^ Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - nadlew Fig.. Approximation function of quantity distribution of nonmetallic inclusions in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - riser Rys. 7. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - odlew Fig. 7. Approximation function of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - casting,,,,, U N*^- O*^- S*^ P*^ Rys.. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład udziału procentowego wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - nadlew Fig.. Approximation function of percentage fraction distribution of non-metallic inclusions in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - riser U*^- N*^- O*^- S*^ P*^ Rys. 6. spółczynniki funkcji aproksymującej rozkład ilości wtrąceń niemetalicznych w klasach wielkości i zawartości O, N, S i P - odlew Fig. 6. Approximation function of quantity distribution of nonmetallic inclusions in the size classes coefficient and contents of O, N, S i P - casting nw nw nw nw nw nw nw nw ow ow ow ow ow ow ow ow Analizując wpływ zawartości siarki, fosforu, tlenu i azotu w badanym staliwie na wartości współczynników U,, funkcji aproksymującej można zaobserwować następujące rodzaje zależności: silne dodatnie kiedy maksymalnym zawartościom rozpatrywanych pierwiastków odpowiadają maksymalne wartości współczynników funkcji i równocześnie minimalnym minimalne, silne ujemne kiedy maksymalnym zawartościom rozpatrywanych pierwiastków odpowiadają minimalne wartości współczynników funkcji i równocześnie minimalnym maksymalne, dodatnie kiedy tylko maksymalnym zawartościom rozpatrywanych pierwiastków odpowiadają maksymalne wartości współczynników funkcji lub tylko minimalnym minimalne, ujemne kiedy tylko maksymalnym zawartościom rozpatrywanych pierwiastków odpowiadają minimalne wartości współczynników funkcji lub tylko minimalnym maksymalne. przypadku danych o ilościowej analizie porowatości w strukturze badanego staliwa zaobserwowano silne dodatnie zależności pomiędzy zawartością azotu i tlenu a wartością współczynnika, zawartością fosforu a wartością współczynnika oraz silne ujemne zależności pomiędzy zawartością tlenu a wartością współczynnika U oraz zawartością fosforu a wartością współczynnika. Ponadto wystąpiły słabsze zależności dodatnie: O a, P a U, oraz ujemne: N a U, S i N a, S a. yniki ilościowej analizy wtrąceń niemetalicznych w strukturze badanego staliwa pozwoliły zaobserwować silne dodatnie zależności pomiędzy zawartością tlenu a wartością współczynnika, zawartością azotu a wartością współczynnika oraz silne ujemne zależności pomiędzy zawartością tlenu i azotu a wartością współczynnika U oraz zawartością azotu a wartością współczynnika. Ponadto wystąpiły także słabsze zależności dodatnie: P a, O a, oraz ujemne: S i P a U, S i P a. przypadku zależności siarki i współczynnika zaobserwowano wpływ jednocześnie ujemny i dodatni. A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -

10 Podziękowania Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach - jako projekt badawczy N N8 89. Literatura [] D. Bartocha, J. Kilarski, J. Suchoń, C. Baron, J. Szajnar, K. Janerka: Niskostopowe staliwo konstrukcyjne, Archives of Foundry Engineering SI /, Gliwice. [] Cybo J., Jura J.: The functional description of isometrical structures in metallography. yd. Pol. Śl., Gliwice 99. Structure of low-alloy constructional cast steel - a quantitative analysis of impurities Abstract The mechanical properties of cast steel are primarily a function of chemical composition and solidification conditions i.e. primary structure, however, a significant role also plays its quality understood as purity metallurgical i.e. as small as possible content of harmful components of the structure. In work the results of porosity and non-metallic inclusions in steel cast structure quantity analysis are presented. A function which coefficient can be treated as parameters of unwonted structure component was statistically fitted to histograms of impurities distribution. The influence of O, N, P and S content on approximation function coefficients was analyzed. A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G V o l u m e, S p e c i a l I s s u e /, -