33/21 Solidilil ation or Metais and Alloys, No. 33, 1997

Transkrypt

1 33/21 Solidilil ation or Metais and Alloys, No. 33, 1997 KrLCpnięcic Metali i Stopów, Nr 33, 1997 l'an -Oddział Katowice PL ISSN 020! KONSTYTUOWANIE WARSTW ODPORNYCH NA ŚCIERANIE W ODLEWACH Z ŻELIWA ORŁOWICZ Władysław, OPIEKUN Zenon, TRYTEK Andrzej Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów Streszeznie Praca dotyczy poprawy odporności na zużycie ścierne odlewów z żeliwa. l. Wstęp Analiza materiałów stosowanych w budowie maszyn wskazuje na szerokie zastosowanie żeliwa, które przy dobrych właściwościach użytkowych i wytrzymałościowych ma proporcjonalnie niską cenę. Szczególnie dużą trwałością w warunkach zużycia ścieranego charakteryzują się żeliwne detale, które w warstwie wierzchniej mają wydzielenia cementytu. Zazwyczaj wymaga się, aby materiał w rdzeniu był łatwo obrabialny i wykazywał odpowiednio wysokie własności mechaniczne. Zalecana jest perlityczna struktura metalicznej osnowy i sferoidalne lub płatkowe wydzielenia grafitu. Takie rozwiązania stosuje się między innymi w wałkach rozrządu czy popychaczach. Stwierdzono, że zużycie warstwy zabielonej zmniejsza się ze zwiększaniem udziału i dyspersji cementytu [1]. Dotychczas warstwę wierzchnią żeliwa utwardza s i ę głównie droga odlewniczą poprzez stosowanie ochładzalników albo pokryć form lub rdzeni dodatkami telluru. Wyższą twardość uzyskuje się jednakże drogą przetapiania warstwy wierzchniej skoncentrowanym strumieniem energii [2,3]. Celem pracy było porównanie struktury i twardości warstwy utwardzonej metodą odlewniczą oraz poprzez przetapianie żeliwa skoncentrowanym strumieniem ciepła.

2 161 l. Badania Badania obejmowały; - wykonanie odlewów płyt z warstwą zabieloną, - przetopienie płyt w obszarze zabielonym i w obszarze nie zabielonym, - badania ultradźwiękowe, - badania metalograficzne, - pomiary twardości. 3. Materiał i metoda badań 3.l. Wykorumie odlewów płyt Badania wykonano na żeliwie o składzie 3,20%C, 2,61 %Si, 0,30%Mn, 0,02%S, 0,064%Mg. Metal przygotowano w piecu indukcyjnym ACEC o pojemności l OOkg. Odlew płyty o wymiarach 100xl00x20 mm zaformowano pionowo na stalowym ochładzalniku o grubości 20nun Wykorumie przetopień Powierzchnię płyty wyrównano metodą frezowania, anastepnie przetapiania z wykorzystaniem elektrody nietopliwej przy natężeniu prądu I = 50A, i szybkości przemieszczania łuku v = 200 mm/min. Dla późniejszych badań metalograficznych płytę przecięto wzdłuż osi podłuź.nej przetopienia. Szkic do badań przedstawiono na rysunku l Badania ultradźwiękowe Badania ultradźwiękowe (zestawem do diagnozowania żeliwa AMEX) obejmowały pomiary prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej w warstwie zabielonej drogą odlewniczą (wzdłuż linii l, rysunek l).

3 162 materiał nie zablelon materiał zabielony od ochhdzalnika Rys. l. Szkic próbki do badań struktury i pomiarów twardości Badania metalograficzne Badania metalograficzne wykonano z zastosowaniem mikroskopu optycznego Neophot 2 i elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) typu Novoscan 30. Obejmowały one obserwację struktury obszaru zabielonego od ochładzalnika (wzdłuż linii 1 i linii 2, rys. l) Pomiary twardości Twardość mierzono metodą RockweBa wg skali C na powierzchni obszaru zabielonego (wzdłuż linii l, rysunek l) i na powierzchni przetopienia (wzdłuż linii 3, rysunek l). 4. Wyniki badań Wyniki pomiarów prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej oraz twardości w obszarze zabielonym metalurgicznie przedstawiono na rysunku 2. Strukturę w tym obszarze przedstawiono na rysunku 3. Przy stosowanych parametrach przetapiania (1 = 50A, v = 200mm/min) wykonano ścieg o szerokości około 8 mm i głębokości około 3,5 mm. W tak małym obszarze ze względu na rozmiary głowicy zestawu AMEX nie mógł być zrealizowany pomiar prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej. Był on za to wystarczający dla przeprowadzenia pomiarów twardości.

4 163 V) = , ~E EroJ ~ -.J 59Xl ~ -~ ~ 5700 :~ ~ 5600 ~ :~ g. 'O et ~ 5400 ::l ro Odległość od czoła próbki, mm u 0:: I :~ o "E ~ ~ f :) a2 ro Odległoś ć od czoła próbki, mm Rys.2. Zmiana prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i twardości obszam zabielonego w wyniku oddziaływania ochładzalnika a) 2 mm od czoła b) 12 mm od czoła c) 22 mm od czoła c) 2 mm od czoła d) 12 mm od czoła Rys. 3. Struktura obszam zabielonego poprzez oddziaływanie ochladzalnika, wzdłuż linii l (rys. l), a, b- mikroskop optyczny, c, d- SEM. Traw. 4% HN0.1

5 164 Pomiary te wykonane na powierzchni przetopienia ( wzdłuż linii 4, rysunek l) wykazywały wartość 65 HRC. Struktw ę obszaru przetopionego, strefy wpływu ciepła i materiału rodzimego przedstawiono na rysunku 4. a) przetopienie, strefa wpływu ciepła, material rodzimy b) przetopienie c) strefa wpływu ciepła Rys. 4. Stiuktura obszam przetopionego, stj efy wpływu ciepła i m a tetiału rodzimego wzdłuż linii :2 (tys. 1), a- mikroskop optyczny, b, c- SEM. Traw. 4% HN0 3 5, Podsumowanie Użyte w badaniach żeliwo niestopowe ma skład bliski eutektycznemu. Przy szybkościach chłodzenia uzyskiwanych w fonnie z ochładzałnikiem osiągane jest przechłodzenie ciekłego roztwom względem równowagowej temperatmy eutektycznej, przy którym dokonuje się równoczesny wzrost eutektyki grafitowej i

6 165 stykających się z ochładzalnikiem. W tym obszarze jest największa szybkość chłodzenia metalu. Bardzo duża szybkość chłodzenia żeliwa obniża temperaturę przemiany eutektycznej poniżej krytycznej temperatury krystalizacji. W tych warunkach wzrastać mogą dwie eutektyki ( cementytowa i grafitowa). Przy większym przechłodzeniu ciekłego metalu szybkość wzrostu eutektyki cementytowej jest coraz większa w stosunku do szybkości wzrostu eutektyki grafitowej. W związku z tym eutektyka grafitowa w strukturze żeliwa może być obserwowana tylko przy znacznych powiększeniach mikroskopowych. Przy dużych szybkościach chłodzenia (zamrażanie kropli ciekłego żeliwa) obserwowano obecność cząstek grafitu o wymiarach rzędu l o mm [4]. W związku z tym stwierdza się [5], że zrealizowanie krystalizacji zwykłego żeliwa wyłącznie według układu metastabilnego jest mało prawdopodobne. lejiwo nagrzewane skoncentrowanym strumieniem ciepła osiąga w jeziorku temperaturę około 2800 C. Przy tej temperaturze rozpuszczalność węgla w stopie jest znaczna. Jeśli pr.zyjmie się, że rozpuszczalność węgla w żeliwie w temperaturze 2700 C wynosi 11,15% (według [6]) i że szybkość stygnięciajeziorka ciekłego metalu jest bardzo duża o czym świadczy fakt, że austenit w eutektyce przemienił się na bainit i martenzyt, a przy powiększeniu 3200x nie stwierdzono wydzieleń grafitu to być może prawdopodobna jest krystalizacja badanego żeliwa według układu metastabilnego. Uzyskanie struktury będącej mieszaniną cementytu bainitu i martenzytu pozwala uzyskać wyższą twardość w warstwie wierzchniej żeliwa przetopionego skoncentrowanym strumieniem ciepła (65HRC) w porównaniu do twardości powierzchniowej warstwy odlewu uzyskanej w efekcie oddziaływania ochładzaimka (48 HRC). W pracy nie stwierdzono wpływu struktury osnowy materiału wyjściowego (ledeburyt przemieniony lub ferryt+ perlit) na twardość warstwy przetopionej. żeliwie Prace nad zagadnieniem konstytuowania warstwy wierzchniej (w niestopowym i innych stopach odlewniczych) z wykorzystaniem skoncentrowanego strumienia ciepła są intensywnie prowadzone w Zakładzie Inżynierii Materiałowej Folitechniki Rzeszowskiej, a ich efekty znajdują zastosowanie w praktyce przemysłowej. Powinny one również rozszerzyć wiedzę z zakresu krystalizacji stopów w warunkach bardzo szybkiego chłodzenia ze stanu ciekłego.

7 166 Literatura l. Podrzucki C., Maj Z., Wojtysiak A.: Schalenhartguss ft1r Motorteile mit erhohter Verschleissfestigkeit 56 G.W.K., V ortrag Nr 22, DUsseldorf Orłowicz W., Opiekun Z.: Sposoby utwardzania warstwy wierzchniej żeliwnych elementów silnika spalinowego. International Scientific Conference on Engineering Design and Research of Automotive Vehicles and machines, SAKON'96, Rzeszów 1996, s Orłowicz W., Opiekun Z.: Wear reistance improvement of cast iron machine parts. Medzinarodna Konferencia Nove Smery vo Vyrobnych Technológiach, Ko~ice Prdov, Podrzucki C.,: Żeliwo, Wyd. ZG STOP, Kraków Fraś E: Krystalizacja żeliwa. Skrypty uczelniane AGH nr 611, Kraków Ruer R., Biren 1. : Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, t 113, 1920