ZASTOSOWANIE MECHANIZMU PRZEMIANY BAINITYCZNEJ DO MODELOWANIA OKNA OBRÓBCZEGO ŻELIWA ADI

Transkrypt

1 21/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 26, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 26, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN ZASTOSOWANIE MECHANIZMU PRZEMIANY BAINITYCZNEJ DO MODELOWANIA OKNA OBRÓBCZEGO ŻELIWA ADI Z. ŁAWRYNOWICZ 1, S. DYMSKI 2 Akademia Techniczno-Rolnicza, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, al. Kaliskiego 7, Bydgoszcz STRESZCZENIE Celem wykonanych badań jest opracowanie analitycznego modelu umożliwiającego producentom żeliwa ADI optymalizowanie mikrostruktury i własności mech a- nicznych żeliwa, a w konsekwencji obniżanie kosztów i skracanie czasu badań eksp e- rymentalnych. Do oszacowania okna obróbczego jako funkcji składu chemicznego, czasu i temperatury przemiany, wykorzystano analizę termodynamiczną oraz teorię kinetyki przemiany bainitycznej opracowanej dla wysoko krzemowych stali. Rezultaty przeprowadzonych badań wskazują, że model przemiany dla stali krzemowych może być z powodzeniem wykorzystany dla określania okna obróbczego żeliwa ADI. Key words: bainite, processing window, austempered ductile iron, modelling, kinetics 1. OKNO OBRÓBCZE Żeliwo ADI w porównaniu z tradycyjnym żeliwem sferoidalnym posiada ponad dwukrotnie większą wytrzymałość przy porównywalnej ciągliwości [1]. Darwish i Elliott [2] wykazali, że w procesie obróbki cieplnej żeliwa ADI istnieje przedział czasu i temperatury zwany oknem obróbczym (processing window), w którym żeliwo uzyskuje optymalne własności mechaniczne. Elliott [3] zdefiniował okno obróbcze jako zakres czasu i temperatury, w którym własności mechaniczne żeliwa spełniają wymagania normy ASTM A897M:199. Pożądana mikrostruktura osnowy metalowej żeliwa ADI, z punktu widzenia dobrych własności mechanicznych, składa się z mieszaniny 1 dr inż., lawry@atr.bydgoszcz.pl 2 dr hab. inż. profesor ATR, StanisławDymski@atr.bydgoszcz.pl 177

2 Udział faz, % ferrytu bainitycznego i wzbogaconego węglem nieprzeminionego austenitu nazywana ausferrytem [4]. Proces izotermicznej przemiany bainitycznej obejmuje zwykle dwa etapy [5]. Koniec etapu I odpowiada maksymalnemu ułamkowi ferrytu bainitycznego i wzbogaconemu w węgiel austenitu. Etap II rozpoczyna wydzielanie węglików z a u- stenitu. Przedział czasu między tymi etapami jest oknem obróbczym (rys. 1) [5]. Wyznaczenie okna obróbczego wiąże się jednakże ze znaczną pracą doświadczalną, a tym samym z dużym kosztem. Zatem analityczne oszacowanie okna o bróbczego w oparciu o mechanizm przemiany bainitycznej wydaje się być bardzo korzystne i jest podstawowym celem podjętych badań. 1 Etap I Etap II Węgliki 5 Martenzyt Ferryt bainityczny Ferryt Austenit szczątkowy Wydzielanie węglików Okno obróbki cieplnej log czasu Czas przemiany izotermicznej 1 Rys. 1. Schemat przedstawiający rozwój mikrostruktury podczas izotermicznej przemiany bainitycznej wraz z ilustracją okna obróbczego (processing window) [5] Fig. 1. Schematic representation of the development of microstructure during austempering, together with an illustration of the processing window [5] 2. BADANY MATERIAŁ Badaniom poddano niestopowe żeliwo sferoidalne o składzie chemicznym zamieszczonym w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa sferoidalnego w %wagowych Table 1. Chemical composition of ductile cast iron, wt-% C Si Mn P S Mg Cr Ni Mo 3,21 2,57,28,61,1,24,36,98,15 Temperatury początku przemiany bainitycznej i martenzytycznej obliczono zgodnie z [6] i wynoszą one odpowiednio: B S =437 o C i M S =245 o C. Wyznaczona dylatometrycznie temperatura końca przemiany podczas nagrzewania wynosiła Ac 1,2 =827 o C [7]. Po hartowaniu martenzytycznym z temperatury T =83 o C zmierzone stężenie węgla w austenicie wynosiło x =,65%C. 178

3 3. TEORIA KINETYKI PRZEMIANY BAINITYCZNEJ ARCHIWUM ODLEWNICTWA Do oszacowania granic okna obróbczego wykorzystano matematyczny model kinetyki przemiany bainitycznej, pozwalający na określenie stopnia przemiany w czasie. Model oparto na przemianie bainitycznej w wysoko krzemowych stalach (>1,5% Si), w których wydzielanie węglików zostało zahamowane [8]. Zastosowanie tego modelu możliwe jest w przypadku wzrostu ferrytu bainitycznego mechanizmem bezdyfuzyjnym, po którym następuje usuwanie nadmiaru węgla z ferrytu do nieprzeminionego austenitu. Model oryginalny kinetyki przemiany bainitycznej [8-11] uwzględnia następujące czynniki: wpływ rozdziału węgla na zmianę energii swobodnej, zjawisko autokatalizy, wpływ wielkości ziarna austenitu, zjawisko niepełnej przemiany, zmianę objętości listew ferrytu bainitycznego z temperaturą przemiany. Wpływ wszystkich wymienionych wyżej czynników jest szczegółowo analizowany w pracach [8-11] i został uwzględniany przy modelowaniu kinetyki przemiany bain i- tycznej w żeliwie ADI, wobec czego czas do uzyskania odpowiedniego stopnia przemiany bainitycznej określono za pomocą [8]: exp( C ) t A B 1 exp( E ) ln1 exp( D ) ln 1 B f E D f E f D1 f D (1) gdzie: uk A 1, B, K 2 G C 1 RT r m D,, 2 K 2 Gm GN 2, rrt D E, B x 1 1! x 2 2! x 3 3! t czas (s), f x... oraz: - względny ułamek objętościowy bainitu objętościowy bainitu (na linii T ' lub T ), ν - rzeczywisty ułamek objętościowy baini- 1 2 x 1, 1, 2 - stałe doświadczalne, K 1 - tu, - czynnik autokatalizy, ' funkcja wielkości ziarna austenitu /, - maksymalny ułamek K 1 dk 1, u - objętość listwy ferrytu bainitycznego, d- średnia wartość siecznej (średnia średnica ziarna austenitu), r stała, R - uniwersalna stała gazowa, T temperatura, K ' 1, K 2 - stałe doświadczalne. Wyrażenie G m oznacza początkową wartość możliwej maksymalnej zmiany energii swobodnej zarodkowania, natomiast G N jest uniwersalną funkcją zarodkowania [9-11]. 179

4 Temperatura, o C 4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na rys. 2 przedstawiono obliczony fragment wykresu CTPi badanego żeliwa ADI z zaznaczonym początkiem (5%) i końcem (95%) przemiany bainitycznej dla różnej wielkości ziarna austenitu, gdy nie zaczęło się wydzielanie cementytu, czyli nie rozpoczął się jeszcze II etap przemiany B S początek przemiany izotermicznej M S 5% przemiany d=2, 4, 8m 2 1,E+ 1,E+1 1,E+2 1,E+3 1,E+4 log czasu, s 95% przemiany d=2, 4, 8m Rys. 2. Obliczony fragment wykresu CTPi badanego żeliwa ADI z zaznaczonym 5% i 95% stopniem przemiany bainitycznej dla różnej średniej wielkości ziarna: 2, 4 i 8 m Fig. 2. The calculated part of TTT diagram for studied ductile iron ADI with 5% and 95% extent of bainite transformation for different grain size: 2, 4 and 8 m Ponieważ w zakresie bainitu górnego żeliwa ADI zachodziło wydzielanie cementytu, co prowadziło do wzrostu stopnia przemiany, wyznaczono maksymalny ułamek objęt o- ściowy ferrytu bainitycznego, który jest funkcją temperatury i ilości wydzielonego cementytu w bainicie [1-13]. Obliczenie stopnia przemiany bainitycznej w żeliwie ADI dla ziarna austenitu o wielkości 8 i 2m, przy braku wydzieleń cementytu (powstał tylko ausferryt) oraz przy 1% wydzielonego Fe 3 C przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Czasy zakończenia okna obróbczego, gdy nastąpiło 95% przemiany, lecz nie rozpoczęło się jeszcze wydzielanie cementytu dla wielkości ziarna równego 2m i 8m zamieszczono w tabeli 2. Tabela 2. Czas zakończenia okna obróbczego w minutach Table 2. Time of the end of processing window, minutes d, Temperatura przemiany izotermicznej, o C m

5 Temperatura, o C Temperatura, o C ARCHIWUM ODLEWNICTWA B S d=8m Brak wydzieleń cementytu 5% przemiany 95% przemiany Wydzielenia cementytu w ilości 1% 25 M S 2 1,E+2 1,E+3 1,E+4 log czasu, s Rys. 3. Obliczony fragment wykresu CTPi badanego żeliwa ADI z zaznaczonym 5% i 95% stopniem przemiany bainitycznej dla średniej wielkości ziarna d= 8 m gdy powstaje ausferryt bez wydzielania cementytu. Zaznaczono również przedział czasowy wydzielenia cementytu w ilości 1% (początek II etapu przemiany) Fig. 3. The calculated part of TTT diagram for studied ductile iron ADI with 5% and 95% volume fraction of bainitic ferrite for mean grain size d= 8 m when is only ausferrite without cementite. Line on the right indicates time of transformation when 1% of cementite precipitated (the beginning of stage II) 45 4 B S d=2m Brak wydzielania cementytu wydzielony 1% Fe3 C 35 5% przemiany 95% przemiany 3 25 M S 2 1,E+1 1,E+2 1,E+3 1,E+4 log czasu, s Rys. 4. Obliczony fragment wykresu CTPi badanego żeliwa ADI z zaznaczonym 5% i 95% stopniem przemiany bainitycznej dla średniej wielkości ziarna d=2m gdy powstaje ausferryt bez wydzielania cementytu. Zaznaczono również przedział czasowy wydzielenia cementytu w ilości 1% (początek II etapu przemiany) Fig. 4. The calculated part of TTT diagram for studied ductile iron ADI with 5% and 95% volume fraction of bainitic ferrite for mean grain size d= 2 m when is only ausferrite without cementite. Line on the right indicates time of transformation when 1% of cementite precipitated (the beginning of stage II) 181

6 5. WNIOSKI 1. Możliwe jest modelowanie kinetyki przemiany bainitycznej w żeliwie ADI z wykorzystaniem termodynamiki i teorii kinetyki przemiany bainitycznej opracowanej dla wysoko krzemowych stali. 2. Gdy koniec okna obróbczego utożsamiamy z początkiem wydzielania cementytu, to możliwe jest analityczne oszacowanie przedziału czasu okna obróbczego w zależn o- ści od parametrów obróbki cieplnej, składu chemicznego i wielkości ziarna. LITERATURA [1] J.R. Davis in ASM speciality handbook, (ed. J.R. Davis), , 1996, Metals Parks, OH, American Society for Metals. [2] N. Darwish, R. Elliott: Materials Science and Technology, (1993) [3] R. Elliott: Heat Treat.Met., , (1997). [4] ASTM standard A897M-9metric, ASTM, Philad. PA, USA, 199, , (199). [5] D.J. Moore, T.N. Rouns, K.B. Rundman: AFS Trans (1986). [6] HKDH Bhadeshia: Bainite in steels 2nd ed. London The Institute of Materials 21 [7] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoida l- nego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, Rozprawy nr 95, ATR Bydgoszcz, (1999). [8] N.A. Chester, H.K.D.H. Bhadeshia: J. de Physique Colloque C5 vol , (1997). [9] Z. Ławrynowicz: Materials Science and Technology (22). [1] Z. Ławrynowicz: Z. N. Pol. Pozn., Bud. Maszyn i Zarz. Produkcją (24). [11] Z. Ławrynowicz: Mat. i Techno. MIT, Politechnika Gdańska, nr 3, (25). [12] M. Takahashi, HKDH Bhadeshia: Mater. Trans. JIM, (1991). [13] Z. Ławrynowicz: Materials Science and Technology, (24). 182 APPLICATION OF THE MECHANIS M OF BAINITE TRANSFORMATION TO MODELLING OF PROCESSING WINDOW IN DUCTILE IRON ADI SUMMARY The aim of the present research is to develop an analytical model that will enable the producers of ADI to optimise the microstructure and mechanical properties and minimise the expensive and extensive experimental trials by reducing ductile iron d e- velopment times. A combination of thermodynamics and kinetic theory was used successfully to predict the processing window in austempered ductile iron as a function of chemical composition, heat treatment time and temperature using a bainite transfo r- mation model developed for high silicon steels. The outcome of the present research shows that the bainitic model developed for high silicon steels is applicable for calculations of the processing window for ADI. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik