ANALIZA STATYSTYCZNA WPŁYWU SKŁADU CHEMICZ- NEGO NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI CZ. II ŻELIWO STOPOWE

Transkrypt

1 10/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 18 (/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006, Volume 6, N o 18 (/) PAN Katowice PL ISSN ANALIZA STATYSTYCZNA WPŁYWU SKŁADU CHEMICZ- NEGO NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI CZ. II ŻELIWO STOPOWE S. DYMSKI 1, T. GIĘTKA, Z. STAWICKA 3 Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Analizowano wpływ dodatków stopowych na własności mechaniczne żeliwa ADI. Za pomocą funkcji aproksymującej opisano relację pomiędzy pierwiastkami: Cu, Mo i Ni a R p0,, R m, H i A 5. Analiza aproksymacji posłużyła do wyznaczenia zależności matematycznych. Do tej analizy utworzono bazę danych opartą na wynikach badań doświadczalnych, pochodzących z prac naukowych. Key words: alloyed elements, mechanical properties, ADI 1. WPROWADZENIE Hartowanie z przemianą izotermiczną żeliwa sferoidalnego niestopowego nie gwarantuje uzyskania osnowy ausferrytycznej w całym przekroju odlewów o grubości ścian 15 mm [1]. Część austenitu przemieni się w ferryt i perlit. Wprowadzenie do żeliwa odpowiednich dodatków stopowych zwiększy trwałość austenitu, a tym samym hartowność żeliwa ADI. Najczęściej do żeliwa wprowadza się pojedynczo lub wspólnie do: 4,00 % Ni, 0,30 % Mo i 1,50 % Cu. Natomiast zawartość Mn ogranicza się do 0,30 %, podobnie jak Mo, ze względu na tworzenie się cementytu stopowego na granicach zia- 1 prof. nadzw. ATR dr hab. inż., Stanisław.Dymski@atr.bydgoszcz.pl mgr inż., tgietka@atr.bydgoszcz.pl 3 mgr, zostaw@atr.bydgoszcz.pl 117

2 ren eutektycznych. Wydzielenia węglików zmniejszają plastyczność i udarność żeliwa ADI [1-6]. Jeżeli żeliwo ADI ma być odporne na ścieranie to wprowadza się dodatkowo Cr i V [,3]. Molibden zwiększa wytrzymałość i twardość ADI, zmniejsza natomiast plastyczność zwłaszcza wtedy, gdy jego zawartość jest większa od 0, % [7,8]. Zwiększenie zaś zawartości Mo do 0,75 % podnosi wartość R p0, o 40 MPa, a R m o 0 MPa. Twardość żeliwa zwiększa się z 393 do 435 HV, lecz wydłużenie A 5 maleje z 6 do,5 %. Dodatek Cu nie wpływa na wytrzymałość i twardość żeliwa ADI hartowanego w temperaturze o C. Przy temperaturze < 350 o C zwiększa się plastyczność ze wzrostem zawartości miedzi. Przemiana w zakresie temperatury o C w żeliwie z Cu, zwiększa jego plastyczność i zmniejsza wytrzymałość w porównaniu z żeliwem bez Cu. Nikiel działa korzystnie na plastyczność żeliwa ADI do zawartości,0 % [8-1]. Wytrzymałość na rozciąganie, plastyczność i twardość żeliwa ADI, zawierającego 1,0 % Ni, po przemianie izotermicznej w zakresie temperatury o C nie ulega istotnym zmianom. Przy zawartości niklu,0 4,0 % wytrzymałość i plastyczność maleją, ponieważ w mikrostrukturze obok ausferrytu może występować martenzyt [8,9]. Obniżenie wydłużenia A 5 żeliwa ADI z dodatkiem Ni wiąże się z obecnością w składzie chemicznym Mn lub Mo [8-10,13]. Odpowiednia zawartość niklu w parze z miedzią zwiększa plastyczność, nawet przy obecności w nim małych zawartości Mn i Mo. Zwiększenie zawartości Mn i Mo zmniejsza wartości R m i A 5, co jest wynikiem mikrosegregacji w ziarnach eutektycznych oraz występowaniem cementytu stopowego [5,9]. Celem pracy jest wyznaczenie zależności matematycznej pomiędzy zawartością dodatków stopowych, a wybranymi własnościami mechanicznymi żeliwa ADI. Do rozwiązania zadania przygotowano bazę danych, utworzoną z prac źródłowych i zastosowano program komputerowy STATISTICA.. WPŁYW MIEDZI, NIKLU I MOLIBDENU W żeliwie sferoidalnym miedź jest pierwiastkiem perlitotwórczym. Wzrost jej zawartości przyczynia się do większej twardości żeliwa, a tym samym do spadku wydłużenia. Zawartość większa niż 1,50 % Cu obniża wytrzymałość R m co jest skutkiem częściowej desferoidyzacji grafitu. Łączne działanie pierwiastków Cu i Ni zwiększa znacznie hartowność żeliwa, co wpływa na utworzenie mikrostruktury ausferrytycznej w grubościennych odlewach ADI. Dla dodatków stopowych Cu, Mo i Ni przygotowano bazę danych składającą się z 86 wyników pomiarów zawartych w pracach [8,14,16-0]. Zależność umownej granicy plastyczności R p0, od procentowej zawartości dodatku stopowego przedstawia wzór (1): 118

3 R p0, = 768, , 717 Ni% 454, 53 Ni% + 658, 443 Mo%, MPa (1) Funkcja matematyczna (1) odzwierciedla wpływ Ni oraz Mo na umowną granicę plastyczności R p0, przy zawartości Cu = 0,1 1,5 %. W wyniku aproksymacji populacji wyników badań wytrzymałości na rozciąganie R m żeliwa ADI z 44 pomiarów funkcja ma postać: R m = 515, 86 Cu% + 39, 543 Ni% 594, 9 Cu%, MPa () Z analizy weryfikacji istotności wielomianu algebraicznego dla określenia wpływu dodatków stopowych na twardość żeliwa ADI funkcja matematyczna ma postać: H = 749, 40 Cu% + 596, 914 Ni% 38, 61 Cu% 57815, Cu% Ni%, HV 116, 91 Ni% + (3) Adekwatność funkcji dotyczy zawartości Mo = 0,19 0,53%. Poziom istotności dla tego przypadku przyjęto alfa = 0,1. 86 wyników pomiaru wydłużenia A 5 żeliwa ADI, po aproksymacji wielomianem. stopnia, posłużyło do określenia funkcji matematycznej o postaci: A = 5,7301 4,7087 Cu% 5,851 Ni% 9,3906 Mo% + 0,0353 Cu% ,9898 Ni% + 83,9841 Mo% + 7,3903 Ni% Mo%, % + 1,1806 Cu% Ni% + 105,4058 Cu% Mo% (4) Z równania (1) wynika, że do pewnej zawartości niklu umowna granica plastyczności R p0, się zwiększa, po czym dalszy wzrost powoduje jej zmniejszenie. Molibden do około 0,70 % wywołuje nieznaczne zmiany R p0,. Należy podkreślić, że analiza przebiegu zmian dotyczy również miedzi o zawartości 0,10 1,50 %. Na wytrzymałość na rozciąganie R m żeliwa ADI w dużym stopniu wpływa miedź, a w mniejszym - nikiel. Zwiększenie zawartości do około 0,45 % Cu powoduje wzrost R m. Dalsze jej zwiększanie obniża R m. Wzrost zawartości niklu w zakresie 0,80 1,80 % zwiększa R m żeliwa. Analiza tej zależności dotyczy żeliwa ADI niezawierającego molibdenu. W żeliwie ADI stopowym, zawierającym Mo = 0,19 0,53 %, na twardość wpływa Cu i Ni. Przy zawartości około 0,0 % Cu i około 1,60 % Ni żeliwo ma maksymalną twardość, a następnie przy malejącej zawartości Ni oraz wzroście Cu twardość maleje. Wydłużenie A 5 żeliwa ADI rośnie, gdy zawartość Cu zwiększa się do około 0,80 %. Wzrost ten odbywa się w całym zakresie zawartości Ni (do 1,80 %). Za pomocą programu komputerowego wyliczono również współczynniki korelacji dla adekwatności funkcji. Wartości r były w przedziale 0,534 0,

4 3. WPŁYW NIKLU I MOLIBDENU W wielu badaniach żeliwo ADI miało w składzie chemicznym nikiel i molibden. Nikiel sprzyja grafityzacji przy krzepnięciu i należy do grupy pierwiastków, które w ziarnach eutektycznych charakteryzują się odwrotną segregacją. Molibden z kolei jest pierwiastkiem węglikotwórczym, a jego mikrosegregacja w ziarnach eutektycznych jest zwykła. Zarówno nikiel jak i molibden zmniejszają krytyczną szybkość chłodzenia i zwiększają tym samym trwałość przechłodzonego austenitu, co umożliwia hartowanie z przemianą izotermiczną odlewów o grubszych ściankach, podobnie jak Cu i Ni. Dla żeliwa ADI zawierającego nikiel i molibden przygotowano bazę danych, składającą się z 63 wyników pomiarów z prac [7,8,15,17,0-8]. Wpływ zawartości Mo i Ni na umowną granicę plastyczności R p0,, wytrzymałość na rozciąganie R m, twardość H i wydłużenie A 5 żeliwa ADI określono po przeprowadzeniu aproksymacji i weryfikacji istotności współczynników funkcji. Na podstawie analizy wyników badań stwierdzono, że wyznaczone funkcje matematyczne są nieadekwatne. W związku z tym dalsze badania będą realizowane za pomocą funkcji o innych postaciach, aż do uzyskania funkcji adekwatnej. 4. PODSUMOWANIE Zagadnienie wpływu dodatków stopowych na własności mechaniczne żeliwa ADI spotykane w literaturze można w ogólności uznać za wyjaśnione, ale nie w szczegółach. Najczęściej podaje się informacje o oddziaływaniu pojedynczych pierwiastków Cu, Mo i Ni. W mniejszym natomiast zakresie przedstawia się jednoczesny wpływ dwóch, a nawet trzech dodatków stopowych. W użytych do badań żeliwach podstawowe składniki miały zawartość w granicach: 3,00 4,00 % C, 1,60 3,70 % Si i 0,0 1,0 % Mn. Dodatki stopowe, które dodawano w kombinacji z podstawowymi pierwiastkami, a stanowiły bazę danych, występowały w żeliwie w następujących przedziałach: 0,043 3,8 % Ni, 0,1 0,63 % Mo i 0,11 1,58 % Cu. Własności mechaniczne stopowego żeliwa ADI są konsekwencją działania dodatków stopowych miedzi, niklu i molibdenu (rozdz. ) oraz niklu i molibdenu (rozdz. 3). Wyznaczone funkcje matematyczne pozwalają obliczyć R p0,, R m, twardość H i A 5, a ekstrema funkcji umożliwią ustalić optymalne zawartości pierwiastków stopowych gwarantujących skojarzenie najlepszych wartości własności. Należy podkreślić, że do analizy statystycznej stworzono bazę danych z wyników badań wielu autorów prac literatury światowej. Stąd od strony merytorycznej zagadnienie współzależności może budzić wątpliwości. Jednak pomimo tego postanowiono wykonać próbę takiej analizy, zdając sobie sprawę z tego, że stan wyjściowy badanych żeliw jest zróżnicowany. Obecna standaryzacja żeliwa ADI zawarta w PN-EN 1564 dotyczy tylko własności mechanicznych takich jak: R p0,, R m, A, H. Natomiast standaryzacji nie podlega skład chemiczny żeliwa, który pozostaje do uznania przez wytwórcę. Stąd też nie uła- 10

5 twia to porównania żeliwa między wytwórcami, a także uniemożliwia badania statystyczne. Dlatego w niniejszych badaniach statystycznych nie uzyskano najkorzystniejszych wartości współczynników korelacji, jak również niektóre funkcje matematyczne są nieadekwatne. Efekty zastosowanej procedury statystycznej w części I i II artykułu mogą stanowić przyczynek do poprawy jakości w systemach produkcji żeliwa ADI. LITERATURA [1] Pietrowski S.: Archiwum Nauki o Materiałach, nr 18, s.53, (1997). [] Podrzucki C.: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. t.i i II. Wyd. ZG STOP Kraków, (1991). [3] Guzik E. Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa. PAN Katowice. Monografia nr 1M, (001). [4] Guzik S. E.: Inżynieria Materiałowa, nr 6, s.677, (003). [5] Dymski S.: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej. Rozprawy nr 95. Dział Wydawnictw ATR Bydgoszcz, (1999). [6] Grech M., Young J.M.: Materials Science and Technology, Vol.6, May, s.416, (1990). [7] Bevan J.E., Scholz W.G.: Modern Casting, nr 11, s.10, (1977). [8] Moore D.J., Rouns T.N., Rundman K.B.: Giesserei- Praxis, nr 3-4, s.309, (1988). [9] Morgan H.L.: British Foundryman, t.80, nr -3, s.98, (1987). [10] Dorazil E., Münsterova E.: Praktische Metallographie, t.14, s.01, (1977). [11] Harding R.A.: Metals and Materials, t., nr, s.65, (1986). [1] Voigt R.C., Bendaly R., Janowak J.F., Park Y.I.: AFS Transactions, nr 7, s.453, (1985). [13] Cox G.J.: British Foundryman, t.79, nr 5, s.15, (1986). [14] Erić O., Rajnović D., Śidjanin L., Zec S., Jovanović M.T.J.: Serb. Chem. Soc. 70 (7) s , (005). [15] Bosnjak B., Radulovic B., Pop-Tonev K., Asanovic V.: ISIJ International, Vol. 40 No. 1, pp , (000). [16] Lin C.K., Lai P.K., Shih T.S.: Int. J. Fatigue vol 18, no. 5, pp , (1996). [17] Dorazil E., Crhak J., Barta B., Huvar A.: Slévárenstvi, t.7, nr, s.49, (1979). [18] Gagné M., Fallon P.A.: Canadian Metallurgicala Quarterly, t.5, nr 1, s.79, (1986). [19] Tybulczuk J., Kowalski A.: Przegląd Odlewnictwa, nr 1, s.11, (1998). [0] Viau R., Gagné M., Thibau R.: Giesserei - Praxis, nr 9-10, s.117, (1988). [1] Cox G.J. British Foundryman, t.75, nr 1, s.1, (198). [] Dorazil E., Barta B., Crhak J., Münsterowa E.: Strojirenstvi, t.9, nr 8, s.475, (1979). [3] Dorazil E., Podrábský T., Švejcar J.: Giesserei - Praxis, nr 3-4, s.3, (1987). [4] Dorazil E., Podrábský T., Švejcar J.: Strojirenstvi, t.40, nr 6, s.34, (1990). 11

6 [5] Elsarnagawy B.A., Gaafar M.L., Madi H.A., Makssoud E.A.: 53th World Foundry Congress, 7 ET, s.1-10, Prague le 7-1 Septembre (1986). [6] Dymski S.: Opracowania własne. [7] Pachowski M.: Przegląd Odlewnictwa, nr 1, s.0, (1983). [8] Dorazil E., Crhak J., Barta B.: Slévárenstvi, t.6, nr 4, s.14, (1978). ANALYSIS STATISTICAL OF THE INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOSI- TION ON MECHANICAL PROPERTIES IN AUSTEMPERED DUCTILE IRON. PART II ALLOY CAST IRON SUMMARY Effect of the alloying elements on the mechanical properties in austempered ductile iron was analyzed. Relation among elements Cu, Ni, Mo and the indexs R p0,, R m, hardness and A 5 by approximation function was described. Analysis of approximation was used to determine mathematical realations hips. Data base was created to support this analysis based on the experimental research. Part determined functions of objects have positive result of adequate werification. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski 1