WPŁYW GRUBOŚCI ŚCIANKI ODLEWU NA MORFOLOGIĘ WĘGLIKÓW W STOPIE WYSOKOCHROMOWYM

Transkrypt

1 3/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW GRUBOŚCI ŚCIANKI ODLEWU NA MORFOLOGIĘ WĘGLIKÓW W STOPIE WYSOKOCHROMOWYM G. BIEŃKO 1, A. DROTLEW 2, J. KUBICKI 3 Politechnika Szczecińska, Szczecin, ul. Al. Piastów 17 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań mikrostruktury wysokochromowego żeliwa białego o następującym składzie chemicznym (%mas.): 2,2%C, 22%Cr, 0,3%Si, 0,01%Al 0,028%P, 0,023%S dla różnych grubości ścianek odlewu (6, 12, 18, 24, 30mm). Na podstawie wyników badań określono wpływ grubości ścianki na morfologię fazy węglikowej badanego stopu. Do określenia parametrów stereologicznych fazy węglikowej wykorzystano program Visilog4. Key words: chromium white cast iron, carbide, quantitative analysis 1. WSTĘP Żeliwa wysokochromowe są stosowane szeroko tam, gdzie głównym wymaganiem jest odporność materiału na zużycie ścierne. Stopy te są przykładem materiałów wielofazowych, których struktura, a więc rodzaj, kształt i właściwości poszczególnych składników decydują m.in. o odporności na ścieranie części maszyn i urządzeń w zadanych warunkach pracy. W stanie lanym mikrostruktura żeliw wysokochromowych składa się z wzajemnie połączonych wydzieleń węglików eutektycznych typu M 7 C 3 w osnowie; ferrytycznej, martenzytycznej lub austenitycznej. Podczas obróbki cieplnej przemianom ulega osnowa, z której wydzielają się drobne węgliki wtórne wewnątrz dendrytów byłego austenitu [1]. Wydzielenia węglików jak i ich rozdrobnienie mają wpływ na odporność 1 mgr inż., Grzegorz.Bienko@ps.pl 2 dr inż., Andrzej.Drotlew@ps.pl 3 prof. dr hab. inż., Jerzy.Kubicki@ps.pl

2 51 żeliw na ścieranie. Ferrytyczne żeliwa chromowe stosuje się przede wszystkim z uwagi na bardzo dobre właściwości żaroodporne i dużą odporność na korozję [2]. Wiadomo, że szybkość odprowadzania ciepła podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewu ma istotny wpływ na rodzaj i morfologię wydzielających się faz. Dla tych samych warunków zewnętrznych szybkość odprowadzania ciepła będzie funkcją grubości ścianek odlewu. Prezentowana praca ma na celu ocenę wpływu grubości ścianki odlewu na morfologię fazy węglikowej dla wytypowanego stopu. 2. MATERIAŁ I WYNIKI BADAŃ Do badań użyto stop o następującym składzie chemicznym; 2,2% C, 22% Cr, 0,3% Si, 0,01% Al 0,028% P, 0,023% S. Na podstawie wcześniej wykonanych badań [3], stwierdzono, że materiał ten, spośród ferrytycznych stopów wysokochromowych, powinien charakteryzować się najlepszą odpornością na zużycie strumieniem ścierniwa atakującym go pod kątem 37 w temperaturze 450 C Wykonanie i przygotowanie próbek do badań Formy do badań wykonano z masy ze szkłem wodnym utwardzanej CO 2. Kształt i wymiary odlewu przedstawia rys. 1. W celu uzyskania struktury zbliżonej do równowagowej, odlew poddano wyżarzaniu izotermicznemu, które polegało na wygrzewaniu przez 6 godzin w temperaturze 1050 C, a następnie powolnemu chłodzeniu z piecem. Z rejonów, na które efekt brzegowy nie miał wpływu wykonano próbki do badań (wycięto po jednej próbce dla różnych grubości ścianki odlewu) Rys. 1. Stopniowana płyta, z której wycięto próbki do badań. Fig. 1. Stepped plate from which test samples were cut out. Dla uzyskania dobrego kontrastu pomiędzy fazą węglikową, a osnową, próbki wytrawiono odczynnikiem Grosbeck a [4]. Tak przygotowane próbki poddano badaniom struktury z wykorzystaniem: - mikroskopii świetlnej, mikroskop Jenavert, - analizy ilościowej przy pomocy programu Visilog4. Budowa fazowa stopu po wyżarzaniu składała się z osnowy ferrytycznej oraz węglików typu M 7 C 3 i M 23 C 6 co ustalono na podstawie badań rentgenostrukturalnych. Z wcześniej wykonanych badań [3] wynika, że wyżarzanie powoduje nie tylko wydzielanie się węglików wtórnych w tle osnowy, ale również krystalizację węglików wtórnych na węglikach pierwotnych stanowiących składnik eutektyki. Zatem, po wyżarzaniu mamy sytuację, w której węgliki rozpoznawane jako eutektyczne

3 52 zbudowane są zarówno z węglików pierwotnych jak i wtórnych. Węgliki eutektyczne mają stosunkowo duże wymiary w porównaniu z węglikami wydzielonymi w tle osnowy (rys. 2). W związku z tym badania ilościowe wykonano osobno dla węglików eutektycznych i osobno dla węglików wydzielonych w tle osnowy. W każdym z przypadków analizie poddano dwa razy po pięć obrazów dla każdej próbki. Wyniki przedstawiono na rys.3. a) b) c) 50µ m d) e) 50µ m Rys. 2. Mikrostruktura stopu o składzie chemicznym 2,2%C, 22%Cr (%mas) dla grubości ścianki odlewu G równym a) 6mm, b) 12mm, c) 18mm, d) 24mm, e) 30mm Fig. 2. Microstructure of the alloy 2,2% C and 22% C, a) thickness of casting wall G: a) 6mm, b) 12mm, c)18mm, d) 24mm, e) 30mm 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW Na podstawie analizy mikrostruktur można stwierdzić, że istnieją duże różnice w wielkości dendrytów osnowy jak również wydzieleń węglików eutektycznych w zależności od grubości płyty. Już wzrost grubości płyty z 6mm do 12mm wpływa w widocznym stopniu na wielkość węglików eutektycznych. Średnie pole powierzchni węglików rośnie z około 3 do 12µm 2. Wzrost ten daje się zaobserwować do grubości płyty G = 24mm. Dla 30mm stwierdzono spadek średniego pola powierzchni węglików do wartości charakterystycznej dla grubości płyty 12mm. Niezależnie od tego wraz ze wzrostem grubości płyty w istotny sposób rośnie udział węglików o dużych powierzchniach.

4 53 Częstość występowania Współczynnik kształtu Obwód węglików µ m Rys. 3. Rozkład wielkości pola powierzchni, współczynnika kształtu i obwodu węglików w zależności od grubości ścianki odlewu. Fig. 3. Distribution of the area, shape and perimeter of carbides versus thickness of casting wall.

5 54 Podobne zależności, jakie ma pole powierzchni węglików w funkcji grubości ścianki występują w przypadku obwodu węglików. Czyli, że wraz ze wzrostem grubości ścianki odlewu rośnie obwód węglików. Jednakże na histogramach przedstawiających obwód węglików (rys.3) zaobserwowano oprócz tego, dodatkowo, że: - mają one przebiegi dwu-modalne, - odległości pomiędzy najliczniejszymi klasami (modami) zwiększają się (z 6µm przy grubości ścianki G = 6mm do 17µm przy grubości ścianki G = 24mm), - przy grubości płyty G = 30mm następuje zmniejszenie odległości pomiędzy modami, - w przypadku rozkładu o mniejszej modzie, wzrost grubości ścianki powoduje większe skupienie wokół niej natomiast dla rozkładu o większej modzie większą jego dyspersję. Dla współczynnika kształtu nie zaobserwowano zmian w kształcie histogramów (rys. 3). W tabeli 1 zestawiono średnie wartości ( z pięciu obrazów) udziału procentowego węglików eutektycznych, węglików wydzielonych w tle osnowy i łącznego udziału węglików. Tabela1. Udział procentowy węglików w stopie w zależności od grubość ścianki odlewu. Table1. Percentage carbides fraction in alloy in relation to thickness of casting wall. Grubość Udział procentowy węglików odlewu[mm] eutektycznych w tle osnowy Σ 6 18,9 8,6 27, ,2 11,35 32, ,8 12,7 34, ,3 12,7 34, ,2 12,9 31,1 Z analizy tabeli 1 wynika, że na tak rozumianą eutektykę grubość ścianek odlewu ma stosunkowo niewielki wpływ. Maksymalna zaobserwowana różnica wynosi 3,6%. W tle osnowy wydzieliło się dodatkowo od 8,6 do 12,9% węglików. Z reguły są to wydzielenia, których pole powierzchni nie przekracza 4µm 2. Sumaryczne różnice udziału węglików w poszczególnych próbkach nie są małe i zmieniają się od 27,5 do 34,5%. Najmniejsza wartość występuje dla G = 6mm, dla pozostałych grubości płyt różnice w udziale węglików są bardzo małe. Trzeba jednakże wziąć pod uwagę, że wydzielenia w próbce o grubości 6mm są bardzo drobne i w tym przypadku po- Śr. pole pow. węglików µ m 2, Grubość ścianki odlewu, mm Rys. 4. Zależność pomiędzy średnim polem powierzchni węglików a grubością ścianki odlewu, Fig. 4. Average carbides area as a function of casting wall thickness.

6 55 miar może być obarczony większym błędem niż dla przypadków pozostałych. Dla wszystkich pięciu próbek określono średnią wartość pola powierzchni węglików. Wyniki oznaczeń przedstawiono w formie wykresu na rys.4. Jak widać mierzony parametr rośnie linowo wraz ze wzrostem grubości ścianki i osiąga maksimum dla G = 24mm. Po przekroczeniu tej wartości średnia wielkość powierzchni węglików zmniejsza się. Ustalenie przyczyn tego zjawiska będzie obiektem dalszych badań. 4. WNIOSKI Wykonane badania potwierdziły, że stop o składzie chemicznym (%mas.): 2,2%C, 22% Cr, 0,3%Si, 0,01%Al 0,028%P, 0,023%S po wyżarzaniu izotermicznym posiada strukturę ferrytyczną z węglikami typu M 7 C 3 i M 23 C 6. Grubość ścianki w badanym zakresie wpływa na: - pole powierzchni węglików eutektycznych - wraz ze wzrostem grubości odlewu obserwujemy wzrost pola powierzchni węglików, - udział procentowy fazy węglikowej w stopie, - obwód węglików - zwiększa się jego wartość wraz ze wzrostem grubości ścianki odlewu. Grubość ścianki odlewu nie ma znaczenia dla współczynnika kształtu wydzieleń. LITERATURA [1] Georgie Laird II, Graham L.F. Powel: Solidification and solid state transformation mechanisms in Si alloyed high-chromium white cast irons. Metall. Trans., v.24a, 1993, p [2] Cz. Podrzucki Żeliwo-struktura, właściwości i zastosowanie Wyd. ZG-STOP, Kraków 1991r. [3] A. Drotlew: Zastosowanie teorii Bittera do opisu zużycia abrazyjnego ferrytycznych stopów Fe-Cr-C w temperaturze 450 C, Praca doktorska, Politechnika Szczecińska, Szczecin 1999r [4] Cornelius A. Johnson, Met. Metallography Principles and Procedures. LECO Corporation 1977r. INFLUENCE OF THE CASTING WALL THICKNESS ON MORPHOLOGY OF CARBIDES IN HIGH CHROMIUM ALLOY SUMMARY In the article the author has presented the results of the research on microstructure of high chromium white cast iron consisting of 2,2%C, 22%Cr, 0,3%Si, 0,01%Al 0,028%P, 0,023%S obtained for different thickness of the casting wall. An influence of wall thickness on the morphology of carbide phase has been determined. Using software Visilog4. Recenzował Prof. Stanisław Jura