STRUKTURA ŻELIWA Z GRAFITEM WERMIKULARNYM W ODLEWACH WALCA O RÓŻNEJ ŚREDNICY. Wydział Odlewnictwa, Akademii Górniczo Hutniczej, Kraków

Transkrypt

1 21/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN STRUKTURA ŻELIWA Z GRAFITEM WERMIKULARNYM W ODLEWACH WALCA O RÓŻNEJ ŚREDNICY E. GUZIK 1, K. KUKUŁKA 2, G. NODŻAK 3 1, 2 Wydział Odlewnictwa, Akademii Górniczo Hutniczej, Kraków 3 Wytwórnia Sprzętu Komunikacyjnego PZLRzeszów, Rzeszów STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury żeliwa z wydzieleniami grafitu wermikularnego w odlewach walca (pręta) o różnej średnicy. Ustalono zależność między liczbą ziaren eutektycznych (grafitu wermikularnego i kulkowego), udziału ferrytu w strukturze odlewów wałka o średnicy grubościach od 0,6 do 8,0 cm. Liczba ziaren eutektycznych zmniejsza się, natomiast udział ferrytu w strukturze zwiększa się w miarę zwiększania średnicy wałka odlewu. Określono liczbę ziaren eutektyki grafitowej w zależności od stopnia przechłodzenia, którą przedstawiono w postaci równania: N v = 8758 ( T) 2. Key words: vermicular cast iron, microstructure 1. WPROWADZENIE Na szczególne podkreślenie zasługuje ostatnio żeliwo wysokojakościowe z wydzieleniami grafitu wermikularnego (grafit o kształcie robaczkowym, od terminu ang. "vermicular", znanym także w literaturze amerykańskiej jako grafit "compacted" zwarty) [1]. Żeliwo z grafitem wermikularnym nie jest ujęte w kraju normą, znana jest natomiast norma amerykańska nr ASTM A z 1985 roku, znowelizowana w 1991 r, przewidująca 5 gatunków tego żeliwa o minimalnych wartościach R m równych: 250, 300, 350, 400 i 450 MPa i minimalnych wartościach wydłużenia A 5 wynoszących odpowiednio: 3; 1,5; 1;1 i 1 %. Stosowne zalecenia Stowarzyszenia Odlewników 1 prof. dr hab. inż., guz@agh.edu.pl 2, mgr inż., kukul@agh.edu.pl 3 mgr inż., grzegon1@post.pl;

2 157 Niemieckich VDG (Verein Deutscher Giessereifachleute) wyróżniają pięć gatunków takiego żeliwa oznaczone symbolami: ENGJV 300; 350; 400; 450 i 500 o minimalnych wartościach R m, odpowiednio; 300, 350, 400, 450 i 500 MPa oraz wydłużeniu 1,5 0,5% [2]. Na przebieg krystalizacji i na strukturę odlewów żeliwnych w stanie surowym wpływają: skład chemiczny żeliwa oraz czynniki technologiczne, które sterują stanem fizykochemicznym ciekłego metalu i szybkością chłodzenia metalu w formie odlewniczej. Technologia wytwarzania odlewów polega, w ogólnym zarysie, na doborze odpowiedniego składu chemicznego metalu, jego temperatury przegrzania i temperatury odlewania, ustaleniu kształtu i wymiarów wnęki formy odlewniczej oraz dobraniu na nią materiału. Zmieniając te czynniki ingerujemy w kinetykę krystalizacji, a tym samym i jego strukturę jak i właściwości użytkowe, np. wpływ składu chemicznego na rodzaj uzyskiwanej struktury żeliwa sferoidalnego czy wermikularnego jest stosunkowo dobrze poznany i opisany w pracach [1,3]. Szybkość chłodzenia odlewu zależy w ogólnym przypadku od; wymiarów i kształtu odlewu oraz właściwości termofizycznych i temperatury odlewania metalu do formy, wymiarów i konstrukcji oraz właściwości termofizycznych materiału formy (wyrażonych współczynnikiem akumulacji ciepła i temperaturą samej formy); przykład mikrostruktury żeliwa sferoidalnego w odlewach płytek pokazano w pracy [1,4]. Celem niniejszej pracy jest określenie zmian mikrostruktury żeliwa z grafitem wermikularnym w różnych grubościach odlewu wałka (wpływ szybkości chłodzenia) o średnicy: 0,6; 1,6; 2,0; 3,2; 4,4; 5,6; 7,0 i 8,0 cm. 2. METODYKA BADAŃ Zasadnicze wytopy żeliwa z grafitem wermikularnym przeprowadzono w Odlewni WSK PZL Rzeszów S.A, gdzie zabieg wermikularyzowania i modyfikowania metalu jest praktycznie ustabilizowany w procesie wytwarzania tego rodzaju wysokojakościowego żeliwa. Po roztopieniu wsadu w piecu, metal zostaje podgrzany do temperatury 1520 C, a następnie wytrzymany w tej temperaturze przez około 5 min. Przy temperaturze około C następuje spust metalu do kadzi smukłej, którą transportuje się do stanowiska wermikularyzowania żeliwa metodą przewodu elastycznego PE [1]. Do zabiegu wermikularyzacji metalu użyto przewodu elastycznego zawierającego rdzeń magnezowy (Mg = 25%), a po tym zabiegu, metal zostaje przelany do kadzi rozlewniczej i tam odpowiednio zmodyfikowany. Po przygotowaniu ciekłego metalu (po przeprowadzeniu zabiegu wermikularyzacji oraz modyfikacji jak i po przelaniu do kadzi rozlewniczej) zalano formę wraz z układem pomiarowym celem zbadania wpływu szybkości stygnięcia w poszczególnych wałkach o zmiennych średnicach, jak i również wpływ tej szybkości stygnięcia na kształtowanie się mikrostruktury i wydzieleń grafitu wermikularnego w zależności od średnicy wałka. Ocenę przeprowadzono przy użyciu mikroskopu optycznego typu Leica MEF 4 M oraz skaningowego. Badaniom poddano próbki wycięte ze środkowych części wałków w pobliżu usytuowanych termoelementów.

3 158 Rejestrowanie zmian temperatury w poszczególnych wałkach w czasie ich krzepnięcia i stygnięcia przeprowadzono przy użyciu (HEWLETT PACKARD HP34970 ), co. pozwoliło zarejestrować w początkowym etapie procesu zarodkowania najniższej temperatury eutektycznej, umożliwiającej wyznaczenie maksymalnego stopnia przechłodzenia T. Równowagową temperaturę z uwzględnieniem stężenia krzemu i fosforu wyznaczono z zależności: T e, równ. = 1427,6 + 5,25 Si 14,88 P (1) Równocześnie, zalano metal do form odtwarzających wlewki standardowe wytrzymałościowe, klin typu Ygrek II oraz wałek o średnicy 3 cm, co pozwoliło wyznaczyć takie właściwości mechaniczne jak; R m, R 0,2, A 5 oraz twardości HB. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na podstawie zarejestrowanych przebiegów krzywych krzepnięcia i stygnięcia poszczególnych odlewów wałka, obliczono maksymalny stopień przechłod zenia ΔT (w końcowym etapie procesu zarodkowania) dla badanych wałków o zróżnicowanych średnicach, a wyniki badań metalograficznych struktury żeliwa przedstawiono w tabeli 1 oraz przykładowo na rys. 1 i 2. Analizując mikrostruktury z badanych wałków o różnych średnicach stwierdzono, że udział ferrytu w osnowie jak również wielkość wydzieleń grafitu wermikularnego zwiększa się w miarę powiększania grubości odlewu (średnicy wałka), natomiast wyraźnie zmniejsza się liczba wydzieleń tego grafitu. W tabeli 1 zestawiono wartości stopnia przechłodzenia żeliwa T max. (zakończony proces zarodkowania grafitu), udziału ferrytu oraz udziału grafitu wermikularnego w strukturze, a także liczbę ziaren grafitu w jednostce objętości i na jednostkę powierzchni N żeliwa wyliczoną z zależności [5]. 3 3 N 2 v N 2,69 N 2 (2) 6f c gdzie: f c udział objętościowy węgla = (13,8) 1 W wałkach o średnicy 4,4 i 7,0 cm, nie zarejestrowano przebiegu procesu krzepnięcia i stygnięcia odlewów z przyczyn technicznych nastąpiło uszkodzenie termoelementów podczas zalania ciekłego metalu do formy odlewniczej. W wałku o średnicy 6 mm, przechłodzenie było tak duże, że układ pomiarowy nie zarejestrował zmian przebiegu krzywej (z uwagi na bezwładność termoelementu). Niewątpliwie efektem tak dużego przechłodzenia jest pojawienie się w strukturze znacznej ilości wydzieleń cementytu (Fe 3 C). Liczbę zarodków, a tym samym liczbę ziaren eutektyki grafitowej w badanym żeliwie można wyznaczyć z ogólnej teorii zarodkowania homogenicznego i heterogenicznego. Liczbę tą wyznaczono na próbkach żeliwa po głębokim trawieniu, z wykorzystaniem

4 159 obrazów wykonanych na mikroskopie skaningowym, co pozwoliło ujawnić przestrzenną budowę wydzieleń grafitu, a tym samym prawidłowo je zliczyć. Przykład takiej mikrostruktury żeliwa wykorzystanej do obliczeń wielkości N pokazano na rys. 2. W naszym przypadku wartości liczby zarodków N v i stopnia przechłodzenia ΔT związano statystycznie, według ogólnej zależności N v = a ( T) n : N v = 8758 ( T) 2 R 2 = 0,97 (3) N=3371,2 ( T) 2,26 R 2 = 0,99 (4) Zależności (3) i (4) przedstawiono w sposób wykreślny na rys. 3, przy czym w pierwszym przypadku, założono, a priori, w obliczeniach dla T (3) wykładnik n = 2. Pozwalają one w dobrym stopniu wyznaczyć liczbę wydzieleń grafitu wermikularnego i kulkowego (zarodków, ziaren), przy znajomości stopnia przechłodzenia, związanego z daną średnicą odlewu wałka. W strukturze może występować pewna liczba wydzieleń grafitu przedeutektycznego, bowiem skład żeliwa jest nieco przesunięty względem strefy sprzężonego wzrostu eutektyki grafitowej (skład lekko nadeutektyczny). Tabela 1. Parametry badań metalograficznych odlewów wałka z żeliwa wermikularnego Table 1. The parameters of microstructure for bar vermicular cast iron castings Średnica wałka, cm 0,6 1,6 2,0 3,2 4,4 5,6 7,0 8,0 Liczba ziaren N, cm 2 (x10 4 ) 4,69 3,11 2,10 2,00 1,42 1,70 1,51 Przechłodzenie T, K 54,10 42,40 34,30 27,30 20,00 *) GW grafit wermikularny własna ocena (orientacyjna) Liczba ziaren N v,cm 3 (x10 6 ) 27,35 14,76 8,24 7,63 4,57 5,99 5,0 Udział ferrytu % Udział grafitu GW*) w strukturze, % Badania wytrzymałościowe wykonane na próbce pobranej z wlewka wytrzymałościowego typu Ygrek II wykazały, iż otrzymano następujące wartości; R m = 394 MPa, R 02 = 265 MPa, A 5 = 9,6% oraz twardość HB = 163 jednostek, natomiast w wałku wytrzymałościowym o średnicy 3,0 cm, otrzymano: R m = 413 MPa, R 02 = 310 MPa, A 5 = 6,0% oraz twardość HB = 179 jednostek. Z wartości tych danych wynika, że szybkość chłodzenia odlewu wałka jest większa od wlewka typu Ygrek II, a konsekwencją tego jest zwiększenie wytrzymałości (większy udział perlitu w strukturze) i obniżenie wydłużenia żeliwa. Zatem w tym ostatnim przypadku w dolnej ściance odlewu klina o grubości 2,5cm, występuje inny rodzaj mikrostruktury żeliwa niż w wałku o tej samej średnicy: wynika to ze sprowadzonej grubości ścianki odpowiednio x/4 i x/2. Przeprowadzone badania oceny jakościowej i ilościowej mikrostruktury odlewów wałków o średnicy od 0,6

5 160 a) b) Rys. 1. Mikrostruktura w odlewach prętów o średnicy: a) 3,2 cm, b) 8,0 cm; Fig. 1. Microstructure of the vermicular cast iron in the bar castings Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa z wydzieleniami grafitu wermikularnego, przy niewielkim udziale grafitu kulkowego. Zdjęcie skaningowe z mikroskopu JOEL, głębokie trawienie Fig. 2. SEM photograph of the vermicular cast iron casting Rys. 3. Zależność liczby ziaren w jednostce objętości w zależności od wartości stopnia przechłodzenia Fig. 3. Dependence of the number of density grains on the undercooling

6 161 do 8 cm z żeliwa z grafitem wermikularnym, pozwalają wskazać w nich kształt grafitu (udział grafitu kulkowego i wermikularnego) oraz rodzaj osnowy metalowej, z udziałem ferrytu i perlitu. W przypadku odlewu wałka o najmniejszej średnicy 0,6 cm, w strukturze żeliwa obserwuje się wydzielenia eutektyki cementytowej oraz przedeutektyczne wydzielenia cementytu. Zatem, w pewnym uproszczeniu można prognozować (w rzeczywistości występuje wzajemne oddziaływanie różnych grubości ścianek występujących w odlewie), rodzaj uzyskiwanej mikrostruktury pod względem liczby i wielkości wydzieleń grafitu wermikularnego oraz rodzaj osnowy metalowej w badanych średnicach odlewu wałków. Liczbę wydzieleń grafitu w jednostce objętości w takim żeliwie w zależności od stopnia przechłodzenia ΔT można wyznaczyć z zależności (3). LITERATURA [1] E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa, wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa, PAN Odd. Katowice, Monografia nr 1M, 2001, stron 128. [2] Steller: Das neue VDG Merkblatt W 50 Gusseisen mit Vermiculargraphit, Giesserei, 89, (2002), nr 11, [3] C. Podrzucki, A. Wojtysiak: Żeliwo plastyczne niestopowe. Skrypt AGH Kraków, Część 1 i 2, 1986/87. [4] E. Guzik, K. Kukułka: Kształtowanie struktury żeliwa sferoidalnego w odlewach płytek o zróżnicowanej grubości. Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, 1, (2001), nr 1 (2/2), [5] Ch. Charbon, M. Rappaz: 3D Stochastic modelling of nodular cast iron solidification. Physical Metallurgy of Cast Iron V. Sc. Publ. Switzerland, (1997), Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej nr SUMMARY MICROSTRUCTURES IN BAR CASTINGS MAKE OF VERMICULAR CAST IRON The paper presents a microstructure grain density and ferrite matrix vermicular cast iron on different bar castings. The experimental results regarding the section effect demonstrate that nodule count, grain density, ferrite content are function of diameter bar castings from 0,6 to 8,0 cm. Nodule count (or grain density) increases white ferrite content decreases as the diameter castings is decreased. The number of the density of grains N v is related (by using regression analysis) to the undercooling T by: N v = 8758 ( T) 2. Recenzował Prof. Józef Gawroński