ŻELIWO NI-RESIST O OBNIŻONEJ ZAWARTOŚCI NIKLU

52/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 ŻELIWO NI-RESIST O OBNIŻONEJ ZAWARTOŚCI NIKLU S. PIETROWSKI 1, Z. BAJERSKI 2 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań nad możliwością obniżenia w żeliwie Ni-Resist niklu z 13,50-17,50% do 8,50-10,00% z zachowaniem osnowy austenitycznej. Wykazano również, że poprzez odpowiedni dobór kompozycji manganu, chromu i niklu można sterować procesem krystalizacji eutektycznej żeliwa, oraz temperaturą krystalizacji węglików pierwotnych typu (Fe,Cr,Mn) 3 C. Key words: Ni-Resist, cast iron, austenite, carbides, TDA. 1. WSTĘP Żeliwo Ni-Resist należy do grupy tworzyw kwasoodpornych i żaroodpornych w temperaturze 500-850 C o stosunkowo znacznej odporności na zużycie. Znajduje ono zastosowanie na części aparatury chemicznej oraz elementy maszyn pracujące w po d- wyższonej temperaturze, np. wkładki podpierścieniowe tłoków silników spalinowych. Zawiera ono znaczną ilość niklu od 13,50-17,50%, który wspólnie z podwyższoną zawartością miedzi w zakresie 5,50-7,50%, chromu 0,80-2,00% i manganu 0,80-1,50% ma zapewnić mikrostrukturę austenityczną osnowy metalowej, w której znajdują się wydzielenia węglików pierwotnych i wtórnych typu (Fe,Cr,Mn) 3 C [1-3]. Ze względu na obecnie wysoką cenę niklu, celowym było zbadanie możliwości jego obniżenia w żeliwie. 1 prof. dr hab. inż., spietrow@mail.p.lodz.pl 2 mgr inż., akgolnik@mail.p.lodz.pl 445

Celem pracy było wykazanie możliwości otrzymywania mikrostruktury austen i- tycznej żeliwa przy obniżonej do 8,50% zawartości niklu oraz kontrolę jego krystalizacji metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). 2. METODYKA BADAŃ Założony wstępnie skład chemiczny żeliwa regulowano poprzez dodawanie do wsadu składników stopowych (Si, FeMn, FeCr, Ni, Cu, żelazo Armco ) w obliczonych proporcjach. Tak przygotowany wsad wkładano do tygla pieca indukcyjnego. Po roztopieniu, żeliwo przegrzewano do temperatury 1500 C i następnie usuwano żużel. Po usunięciu żużla, wprowadzano do ciekłej kąpieli metalowej modyfikatorżelazokrzem Si90A w ilości 0,5% od masy ciekłego żeliwa. Po 3 minutach od wprowadzenia modyfikatora żeliwem o temperaturze 1480 C zalewano próbnik ATD. Następnie na stanowisku pomiarowo-rejestrującym ATD odczytywano krzywe ATD oraz jej charakterystyczne punkty. Badania metalograficzne przeprowadzono na próbkach wyciętych z próbek otrzymanych z ATD w pobliżu ich środka cieplnego (termoelementu). Wykonano je na mikroskopie optycznym typu EDUKO wyposażonym w aparat cyfrowy i komputerową analizę obrazu. Pomiar twardości przeprowadzono na Briviskopie metodą Brinella dla warunków 2,5/187,5/30. Skład chemiczny badanego żeliwa określono na Quantowagu i przedstawiono go w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa austenitycznego Table 1. Chemical composition of researched austenitic cast iron Grupa Oznaczenie Wytopu I II III Skład chemiczny żeliwa, % mas C Si Mn P S Cr Ni Cu W1 3,10 2,55 0,98 0,30 0,04 0,02 9,7 6,9 W2 3,00 2,46 1,06 0,27 0,05 0,02 11,7 6,8 W3 2,99 2,55 0,85 0,25 0,04 0,02 12,4 6,6 W4 3,00 2,37 0,80 0,28 0,05 0,01 13,4 6,7 W5 2,98 2,53 1,03 0,39 0,06 0,01 13,8 7,7 W6 2,95 2,47 1,02 0,39 0,04 0,02 15,2 7,6 W7 3,05 2,12 1,35 0,08 0,06 1,37 10,56 7,35 W8 2,97 1,96 1,27 0,06 0,05 1,42 9,57 7,20 W9 3,12 2,06 1,46 0,05 0,05 1,25 8,78 7,47 W10 2,92 2,04 1,35 0,07 0,06 1,39 8,01 7,30 W11 3,03 1,91 1,25 0,06 0,05 1,45 6,58 7,40 W12 3,10 2,07 1,36 0,05 0,05 1,78 10,78 7,35 W13 3,13 2,02 0,80 0,05 0,05 0,77 10,55 7,39 W14 2,95 2,02 0,77 0,05 0,04 1,95 10,82 7,18 W15 3,03 2,13 1,38 0,06 0,06 0,75 10,57 7,46 446

3. WYNIKI BADAŃ ARCHIWUM ODLEWNICTWA Krzywe ATD i mikrostrukturę żeliwa z wytopu W1 (grupa I) pokazano na rysunku 1 (a-c). Na krzywej krystalizacji (rys. 1a) występują efekty cieplne od krystalizacji: austenitu pierwotnego (A, t A =1187 C), eutektyki węglikowej (BCD, t B -t D =1169 C -1137 C), eutektyki grafitowej (DEJ, t d -t J =1137 C -1049 C) oraz wydzieleń węglików izomorficznych (Fe,Cr,Mn) 3 C z austenitu (LMN, t L t N =907 C - 835 C). Mikrostruktura żeliwa złożona jest z grafitu płatkowego, austenitu, martenzytu, węglików pierwotnych i wtórnych (rys. 1 b-c). Wynika stąd, że w obecności około 1,0%Mn w żeliwie, krystalizuje ono początkowo w układzie metastabilnym a następnie w stabilnym. Wzrost zawartości Ni do około 15,00% (wytop W6) nie zmienia krystalizacji żeliwa, powoduje natomiast zlikwidowanie martenzytu. Krzywe ATD i mikrostrukturę tego żeliwa przedstawiono na rysunku 2 (a-c). Wpływ niklu na charakterystyczne temperatury krystalizacji żeliwa grupy I (tabl.1) i wydzielenia węglików z austenitu pokazano na rysunku 3. Wynika z niego, że zwiększenie zawartości Ni obniża temperaturę likwidus i solidus oraz początku wydzielenia węglików z austenitu, natomiast podnosi temperaturę zakończenia tego proc e- su. Zwiększenie ilości Mn do około 1,36% w żeliwie oraz dodanie do niego średnio 1,35% Cr przy malejącej zawartości niklu w zakresie od 9,57% do 6,58% (żeliwo grupy II) spowodowało istotne zmiany w krystalizacji. Na rysunku 4 (a-c) przedstawiono krzywe ATD i mikrostrukturę żeliwa z wytopu W8. Z krzywej derywacyjnej wynika, że efekt cieplny BCF (t B -t F =1199 C-1096 C) spowodowany jest krystalizacją eutektyki grafitowej. Żeliwo krystalizuje w układzie stabilnym. Atomy dodatków Mn i Cr o d- rzucane są przez front krystalizacji w głąb cieczy, powodując jej znaczne nasycenie tymi pierwiastkami. W konsekwencji w końcowym etapie krystalizacji żeliwa w cieczy zawartej w obszarach międzydendrytycznych krystalizują węgliki pierwotne (Fe,Cr,Mn) 3 C. Na krzywej derywacyjnej występuje efekt cieplny FF J (t F -t J =1096 C- 1054 C) od ich krystalizacji. Z austenitu również wydzielają się węgliki wtórne (Fe,Cr,Mn) 3 C w obszarze LMN (t L -t N =923 C-845 C, rys 4 a). Dodatek około 1,35% Cr do żeliwa, spowodował obniżenie temperatury Ms do wartości ujemnej, ponieważ osnowę metalową stanowi austenit (rys. 4 b-c). Osnowę austenityczną i opisany przebieg krystalizacji żeliwa otrzymuje się do zawartości około 8,50% Ni. Jego dalsze obniżenie do 6,50% Ni powoduje zmianę krystalizacji żeliwa i wystąpienie martenzytu w mikrostrukturze. Przykład krzywych ATD i mikrostrukturę tego żeliwa (wytop W11) pokazano na rysunku 5 (a-c). Żeliwo początkowo krystalizuje w układzie metastabilnym efekt cieplny BCD (t B -t D =1168 C-1143 C), a następnie w układzie stabilnym efekt DEJ ( t D -t J =1143 C-1070 C, rys 5 a). Wpływ niklu na charakterystyczne temperatury krystalizacji żeliwa grupy II oraz wydzielenia węglików z austenitu przedstawiono na rysunku 6. Wynika z niego, że w żeliwie zawierającym mangan i chrom w ilości około 1,35% wzrost zawartości niklu w zakresie 6,58-10,56% Ni podnosi temperaturę likwidus, obniża temperaturę solidus oraz początku i końca wydzielania węglików z austenitu 447

a) 1400 t, C 1300 A B C D E J L M N 1 dt/d C/s 1200 0 1100 1000 dt/d =f ( -1 900 800-2 700-3 600 W1 t=f( 500 0 200 400 600 800 s, 1000 b) c) -4 X100 X400 Mikrostruktura: grafit płatkowy, austenit, martenzyt, węgliki Rys. 1. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura żeliwa z wytopu nr W1 (b, c) Fig. 1 TDA curves (a) and the microstructure of cast iron of melt W1 (b, c) 448

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Nie wpływa natomiast na temperaturę krystalizacji węglików pierwotnych (t F ). Jednoczesne obniżenie zawartości Mn i Cr do około 0,80% (W13), lub tylko Mn przy 1,95%Cr (żeliwo grupy III, W14) powoduje krystalizację żeliwa analogiczną do wytopu W1 (rys. 1 a) z zachowaniem austenitycznej osnowy metalowej. Na podstawie przeprowadzonych badań opracowano wykres strukturalny żeliwa Ni-Resist, który pokazano na rysunku 7. Wynika z niego, że granica pomiędzy występowaniem lub nie martenzytu w osnowie metalowej zależy od synergicznej ilości Cr, Mn i Ni, przy stałej zawartości Cu w zakresie 6,50 7,50%. Zmniejszenie zawartości Cr i Mn wymaga wzrostu Ni w żeliwie dla otrzymywania austenitu. Rodzaj eutektyki rozpoczynającej proces krystalizacji eutektycznej zależy od stosunku Mn/Cr. Przy jego wartości w zakresie 0,9 1,1 krystalizacja eutektyki rozpoczyna się w układzie stabilnym, a w końcowym etapie procesu krzepnięcia kryst a- lizują złożone węgliki pierwotne (Fe,Mn,Cr) 3 C. Przy wartościach mniejszych od 0,9 lub większych od 1,1 krystalizacja eutektyki rozpoczyna się w układzie metast a- bilnym a następnie w stabilnym. Nikiel w badanym żeliwie nie wpływa na ten proces. Mikrostrukturę austenityczną osnowy metalowej żeliwa można otrzymać przy najmniejszej zawartości Ni=8,50% jeżeli ilość Cr 0,85%, a Mn 1,10%. Twardość HB badanego żeliwa przedstawiono w tabeli 2. Wynika z niej, że osnowa austenityczna żeliwa charakteryzuje się twardością zawartą w zakresie 140-199 HB, a austenityczno-martenzytyczna 181-298 HB. Twardość żeliwa wzrasta ze zwiększeniem ilości Cr i Mn oraz obniżeniem Ni. W obu przypadkach zwiększenie zawartości niklu w żeliwie zmniejsza jego twardość. W żeliwie grupy I zależność pomiędzy twardością HB żeliwa a ilością Ni jest liniowa i można ją opisać funkcją: HB,82 26, 7572 Ni R=0,96 F=49,47 W=10,96 HB = 204,0 dhb = 7,92%. W żeliwie grupy II zmianę twardości można opisać funkcją: 543 (1) HB 58,59 31,14 Ni 421,99 log Ni (2 R=0,99 F=61,15 W=31,07 HB = 181,8 dhb = 1,43%. Test W określony jest zależnością: 2 W z (3) gdzie: σ z 2 wariancja zbioru danych, σ f 2 wariancja funkcji. Funkcja jest wiarygodna, jeżeli test W 2 Wpływ Ni na twardość żeliwa grupy I przedstawiono na rys. 8 natomiast z grupy II na rys. 9. 2 f 449

a) 1400 t, C 1300 AB C D E J L M N 1 dt/d C/s 1200 0 1100 1000 dt/d =f ( -1 900 800-2 700-3 600 W6 t=f( 500 s, 0 200 400 600 800 1000 b) c) -4 X 100 X Mikrostruktura: grafit płatkowy, austenit, węgliki. Rys. 2. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura żeliwa z wytopu nr W6 (b, c) Fig. 2. TDA curves (a) and the microstructure of cast iron of melt W6 (b, c) 450

ARCHIWUM ODLEWNICTWA ta,tb,td tj,tl,tn C 1200 W1 W2 W3 W4 W5 W6 ta tb td 1100 tj 1000 900 tl tn 800 9,7 11,7 12,4 13,4 13,8 15,2 %,Ni 12 16 20 24 28 Rys. 3. Wpływ niklu na charakterystyczne temperatury krystalizacji żeliwa grupy I (t A, t B, t D, t J ), oraz wydzieleń węglików z austenitu (t L, t N ) Fig. 3. Influence of nickle on characteristic temperatures of cast iron crystallization of group I (t A,t B,t D,t J ) and precipitations of carbides from austenite (t L, t N ) 451

a) 1400 t, C 1300 A B C F F' J L M N 1 dt/d C/s 1200 0 1100 1000 dt/d =f ( -1 900 800-2 700 600 t=f( -3 500 W8 400 s, 0 200 400 600 800 1000 b) c) -4 Mikrostruktura: grafit płatkowy, austenit, węgliki Rys. 4. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura żeliwa z wytopu nr W8 (b, c). Fig. 4. TDA curves (a) and the microstructure of cast iron of melt W8 (b, c) 452 X 100 X 400

a) 1400 t, C 1300 A B CD E J L M N ARCHIWUM ODLEWNICTWA 1 dt/d C/s 1200 0 1100 1000 dt/d =f ( -1 900 800-2 700 600 t=f( -3 500 W11 400 0 200 400 600 800 s, 1000 b) c) -4 X 100 X 400 Mikrostruktura: grafit płatkowy, austenit, martenzyt, węgliki Rys. 5(a-c). Krzywe ATD (a) i mikrostruktura z wytopu nr W11 (b, c) Fig. 5. TDA curves (a) and the microstructure of cast iron of melt W11 (b, c) 453

ta,tb,tf tj,tl,tn C 1200 W11 ta W10 W9 W8 W7 tb 1100 tf tj 1000 tl 900 tn 800 %,Ni 6 7 8 9 10 11 Rys. 6. Wpływ niklu na charakterystyczne temperatury krystalizacji żeliwa grupy II (t A, t B, t J ) oraz wydzieleń węglików pierwotnych (t F ) i wtórnych z austenitu (t L, t N ) Fig. 6. Influence of nickle on characteristic temperatures of cast iron crystallization of group II (t A,t B,t J ) and precipitations of primary (t F ) and secondary (t L, t N ) carbides 454

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 7. Wykres strukturalny żeliwa Ni-Resist Fig. 7. Structural diagram of Ni Resist Oznaczenia: G-grafit, A-austenit, M- martenzyt, W1- węgliki pierwotne (Fe,Cr,Mn) 3 C, W2 węgliki wtórne (Fe,Cr,Mn) 3 C Tabela 2. Twardość HB badanego żeliwa Table 2. HB hardness of researched cast iron Grupa I II III Oznaczenie wytopu Twardość HB Mikrostr. osnowy metal. W1 298 A+M W2 219 A+M W3 189 A+M W4 197 A+M W5 181 A+M W6 140 A W7 162 A W8 173 A W9 186 A W10 189 A W11 199 A+M W12 199 A W13 190 A W14 191 A W15 189 A 455

320 HB W1 280 240 W2 200 W3 W4 W5 160 W6 120 %, Ni 10 12 14 16 Rys. 8. Wpływ niklu na twardość żeliwa grupy I Fig. 8. Influence of nickle of the on Brinell hardness of cast iron of group I 456

ARCHIWUM ODLEWNICTWA 200 HB W11 190 W10 W9 180 W8 170 160 %, Ni 6 7 8 9 10 11 Rys. 9. Wpływ niklu na twardość żeliwa grupy II Fig. 8 Influence of nickle of the on Brinell hardness of cast iron of group II 4. WNIOSKI W7 Wnioski wynikające z badań są następujące: - poprzez odpowiedni dobór kompozycji Mn, Cr i Ni można sterować procesem krystalizacji eutektycznej żeliwa, temperaturą krystalizacji oraz mikrostrukturą osnowy metalowej, - mikrostrukturę austenityczną osnowy metalowej żeliwa można otrzymać przy minimalnej ilości Ni 8,50%, - metoda ATD umożliwia kontrolę krystalizacji żeliwa. 457

= f ( 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400, -4-3 -2-1 0 C s W / d = t ( LITERATURA [1] Podrzucki Cz.: Żeliwo. Struktura właściwości i zastosowanie. Wydawnictwo ZG STOP. Kraków 1991. [2] Warchala T.: Metalurgia i Odlewnictwo Żeliwa, część I Struktura i własności żeliwa. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. Częstochowa 1988. [3] Pietrowski S, Pisarek B, Władysiak R.: Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością żeliwa austenitycznego na wkładki tłokowe metodą ATD. Projekt Celowy Nr: 7T08B 164 99 C/4261. 2000. NI-RESIS T CAST IRON WITH LOW AMOUNT OF NICKEL SUMMARY In this paper the results of possiblity of nickel contents reduction in Ni-Resist cast iron from 13,50-17,50 to 8,50-10,00% with maintenance of an austenite matrix have been presented. It was demonstrated, that there is the possibly of control of cast iron eutectic crystallization and a crystallization temperature of (Fe,Cr,Mn) 3 C primary carbides by proper selection of manganese, chromium and nickel composition. Recenzował: prof. dr hab. inż. Edward Guzik 458