34/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 OCENA KRYSTALIZACJI STALIWA METODĄ ATD S. PIETROWSKI 1, R. WŁADYSIAK 2 Politechnika Łódzka, Katedra Systemów Produkcji, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź W. MEKSA 3, G. WOŹNICKI 4 Spółdzielnia Pracy Armatura ul. Duńska 23, 91-210 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono możliwości kontroli staliwa niestopowego i wysokost o- powego metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Wykonuje się z niego wys o- kojakościowe odlewy metodą traconych modeli z zastosowaniem rdzeni mocznikowych. Key words: cast steel, TDA, control, lost-wax process 1. WSTĘP Metoda analizy termicznej i derywacyjnej (ATD) zaczyna coraz powszechniej być stosowana do kontroli siluminów oraz żeliwa szarego, wermikularnego i sferoida l- nego o różnej mikrostrukturze [1-7]. Jej wykorzystanie umożliwia szybkie określenie istotnych dla stopu pierwiastków składowych, jego mikrostrukturę i własności mech a- niczne (Rp 0,2, Rm, A 5 i HB), za pomocą odpowiednio opracowanych równań statystycznych. W bardzo małym stopniu wykorzystywana jest do kontroli staliwa gatunku: L20, 270-480W, LH14, LH18N9. Wytwarza się z niego wysokojakościowe odlewy metodą traconych modeli z zastosowaniem rdzeni mocznikowych w Spółdzielni Pracy ARMATURA w Łodzi. W niej też przeprowadzono badania metodą ATD poprzednio przedstawionych gatunków staliwa. 1 prof. dr hab. inż., e-mail: akgolnik@mail.p.lodz.pl 2 dr inż., e-mail: rwlady@mail.p.lodz.pl 3 prezes, mgr inż. 4 v-ce prezes, mgr inż. 293
2. METODYKA BADAŃ Staliwo wytapiano w S.P. ARMATURA w piecu indukcyjnym średniej częst o- tliwości o pojemności tygla 500kg. Dodatki stopowe i uzupełniające dodawano do ciekłego staliwa o temperaturze 1600 5 C. Pomiar temperatury staliwa dokonywano termoelementem zanurzeniowym PtRh10-Pt. Skład chemiczny badanego staliwa różnych gatunków określano na Quantowagu HILGER w S.P. ARMATURA i podano go w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa Table 1. Chemical composition of cast steel L.p. Gatunek Skład chemiczny, % C Si Mn P S Cr Ni Al Cu 1 L20 0,204 0,386 0,652 0,014 0,012 0,009 0,056 0,025 0,042 2 270-480W 0,337 0,350 0,5600 0,012 0,013 0,014 0,085 0,032 0,135 3 LH14 0,192 0,628 0,599 0,024 0,015 13,29 0,12 0,085 0,121 4 LH18N9 0,092 0,854 0,629 0,010 0,010 17,97 8,89 0,062 0,112 Schemat przeprowadzonej kontroli badanego staliwa z zastosowaniem metody ATD przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat kontroli staliwa metodą ATD Fig. 1. Diagram of control of cast steel with TDA method 294
t, C dt/d, C/s 2 2 2 d t/d, C/s ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 2 pokazano krzywe ATD staliwa L20. Wynika z nich, że krystalizacja staliwa rozpoczęła się w temperaturze ta=1542 C i zakończyła się w temperaturze tb=1426 C Przemiana eutektoidalna austenit ferryt, perlit rozpoczyna się w temperaturze tk=772 C, a kończy się w tm=612 C. 1900 1800 1700 1600 A B K L M 2 2 d t/d = f ''( ) 1 0 0.1 0.0-0.1-0.2 1500 1400 1300 dt/d = f '( ) -1 1200 1100-2 1000 900 800 700 600 500 t=f( ) -3-4 0 200 400 600 800 1000, s A B K L M Temperatura, C 1542 1426 772 667 612 Rys. 2. Krzywe ATD staliwa L20 Fig. 2. TDA curves of L20 cast steel Mikrostruktura staliwa była ferrytyczno-perlityczna z wtrąceniami niemetalicznymi. Jego własności mechaniczne zawarte były w przedziale: Rp 0,2 =230-250MPa, Rm=460-480MPa, A 5 =26-28%, HB=126-132, KV=40J. 295
t, C dt/d, C/s 2 2 2 d t/d, C/s Krzywe ATD staliwa 270-480W przedstawiono na rysunku 3. Krystalizacja rozpoczęła się w temperaturze ta=1492 C a zakończyła się w tb=1417 C. Przemiana austenit ferryt, perlit przebiegała w zakresie temperatury tk-tl-tm t.j. 798 654 C. 1900 1800 1700 1600 A B K L M 2 2 d t/d = f ''( ) 1 0 0.1 0.0-0.1-0.2 1500 1400 1300 dt/d = f '( ) -1 1200 1100-2 1000 900 800 700 600 500 t=f( ) -3-4 0 200 400 600 800 1000, s A B K L M Temperatura, C 1492 1417 798 674 654 Rys. 3. Krzywe ATD staliwa 270-480W Fig. 3. TDA curves of 270-480W cast steel Mikrostruktura staliwa była perlityczno-ferrytyczna z wtrąceniami niemetalicznymi, a jego własności mechaniczne zawierały się w zakresie: Rp 0,2 =290-315MPa, Rm=520-540MPa, A 5 =20-24%, HB=146-152, KV=25-28J. W porównaniu z danymi pokazanymi na rysunku 2 wynika, że krystalizacja staliwa 270-480W odbywa się w niższej temperaturze o: ta=1542-1492=50 C, tb=1426-1417=50 C, natomiast przemiana eutektoidalna w temperaturze wyższej o 12 42 C niż staliwa L20. 296
t, C dt/d, C/s 2 2 2 d t/d, C/s ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na rysunku 4 pokazano krzywe ATD staliwa LH14. W temperaturze ta tb t.j. 1526 1405 C krystalizuje ferryt. W temperaturze tb=1405 C krystalizuje jednocześnie ferryt i austenit. Proces krystalizacji kończy się w temperaturze tc=1368 C. Efekt cieplny określony temperaturą td=1049 C spowodowany jest wydzielaniem węglików Cr 23 C 6. 1900 1800 1700 1600 A BC D E K L M 2 2 d t/d = f ''( ) 1 0 0.1 0.0-0.1-0.2 1500 1400 1300 dt/d = f '( ) -1 1200 1100-2 1000 900 800 700 600 500 t=f( ) -3-4 0 200 400 600 800 1000, s A B C D E K L M Temperatura, C 1526 1405 1368 1049 1030 708 632 576 Rys. 4. Krzywe ATD staliwa LH14 Fig. 4. TDA curves of LH14 cast steel Kończy się on w temperaturze te=1030 C. Przemiana eutektoidalna austenit ferryt zachodzi w zakresie temperatury tk-tl-tm t.j. 708 576 C. Mikrostruktura staliwa była ferrytyczna z węglikami Cr 23 C 6 i wtrąceniami niemetalicznymi. Własności mechaniczne staliwa były następujące: Rp 0,2 =460-490MPa, Rm=580-610MPa, A 5 =9-11% i 190-208 HB. 297
t, C dt/d, C/s 2 2 2 d t/d, C/s Z przedstawionych danych wynika, że analiza termiczna i derywacyjna dokładnie przedstawia efekty cieplne spowodowane krystalizacją nie tylko ferrytu i austenitu, ale również i węglików. Krzywe ATD staliwa LH18N9 przedstawiono na rysunku 5. Wynika z nich, że w zakresie temperatury ta-tb równej 1435 1368 C krystalizuje wyłącznie austenit i taka jest również mikrostruktura tego staliwa. Jego własności mechaniczne zawierały się w następującym zakresie: Rp 0,2 =230-250MPa, Rm=460-490MPa, A 5 =28-30% i 152-158 HB. 1900 1800 1700 1600 A B d 2 t/d 2 = f ''( ) 1 0 0.1 0.0-0.1-0.2 1500 1400 1300 dt/d = f '( ) -1 1200 1100-2 1000 900 800 700 600 500 t=f( ) 0 200 400 600 800 1000, s A B Temperatura, C 1435 1368-3 -4 Rys. 5. Krzywe ATD staliwa LH18N9 Fig. 5. TDA curves of LH18N9 cast steel 298
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Przykłady różnych rodzajów odlewów wytwarzanych technologią traconych modeli z przedstawionych gatunków staliwa pokazano na rysunku 6. Rys. 6. Przykłady odlewów wytwarzanych technologią traconych modeli ze staliwa: L20, 270-480W, LH14 i LH18N9 Fig. 6. Examples of casts produced of cast steel: L20, 270-480W, LH14 and LH18N9 with lostwax process 4. WNIOSKI Przedstawione wyniki badań upoważniają do sformułowania następujących wniosków: metoda ATD może być wykorzystana do kontroli krystalizacji pierwotnej i wtórnej staliwa niestopowego i stopowego, umożliwia ona identyfikację faz i temperaturę ich krystalizacji, podobnie jak w przypadku żeliwa i siluminów prawdopodobnie również dla staliwa występują zależności statystyczne pomiędzy parametrami krzywych ATD, a własnościami mechanicznymi. Będzie to przedmiotem 299
LITERATURA dalszych badań prowadzących do opracowania autorskiego programu komputerowego kontroli i sterowania jakością staliwa niestopowego i stopowego. [1] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B.: Wdrożenie w Wytwórni Sprzętu Komunikacyjnego PZL Gorzyce systemu kontroli i sterowania jakością siluminów tłokowych metodą analizy termiczno-derywacyjnej (ATD). Projekt celowy nr 77765 94C/2257, 1994-1996 [2] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B.: Wdrożenie w WSK GORZYCE nowych siluminów do produkcji tłoków silników spalinowych. Projekt Celowy nr 7T08B 087 97 C/3418, 1997-1999 [3] Pietrowski S., Pisarek B, Władysiak R.: Wdrożenie w WSK GORZYCE S.A. systemu kontroli i sterowania jakością żeliwa austenitycznego na wkładki tłokowe metodą ATD. Projekt Celowy nr 7T08B 164 99 C/4261, 1999-2000 [4] Pietrowski S., Pisarek B, Władysiak R.: Wdrożenie w przedsiębiorstwie METALEXPORT - ODLEWNIA KOLUSZKI technologii wytapiania surówki niskomanganowej, żeliwa sferoidalnego, wermikularnego i szarego o różnej mikrostrukturze i ich kontroli metodą ATD. Projekt Celowy nr 7T08B 227 2000 C/4877, 2000-2002 [5] Pietrowski S., Pisarek B, Władysiak R.: Zbadanie krystalizacji żeliwa z grafitem wermikularnym oraz opisanie jej modelem analityczno-numerycznym. Projekt Badawczy nr 7T08B 006 13, 1997-2000 [6] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B.: Recapitulation of Silumins` Cry stallization Assessment with Use of the Thermal-Derivative Analysis Method. Krzepnięcie Metali i Stopów. 1999, nr 40, s. 49-58 [7] Pietrowski S., B. Pisarek, R. Władysiak: System komputerowy kontroli i sterowania jakością żeliwa z wykorzystaniem metody ATD. Archiwum Odlewnictwa, 2002, vol. 2, nr 4, s. 222-230 ASSESSMENT OF CAST STEEL CRYSTALLIZATION WITH TDA METHOD SUMMARY This paper presents the capabilities of control with thermal and derivative analysis (TDA) method of cast carbon steel and alloy cast steel. These alloys are applied to product the high-quality casts with use of the carbamide cores and lost-wax process. Recenzował prof. dr inż. Józef Gawroński 300