OBRAZ IZOTERMICZNEJ PRZEMIANY EUTEKTOIDALNEJ W ŻELIWIE SFEROIDALNYM EN-GJS-500-7

37/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 OBRAZ IZOTERMICZNEJ PRZEMIANY EUTEKTOIDALNEJ W ŻELIWIE SFEROIDALNYM EN-GJS-500-7 T. SZYKOWNY Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE Metodą metalograficzną sporządzono wykres CTPi żeliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego w obrębie przedziału temperaturowego Ar 1. Przedstawiono kinetykę i mechanizm przemiany eutektoidalnej. Cel praktyczny pracy polegał na poszukiwaniu przedziału temperaturowego, w którym przemiana zachodziłaby wyłącznie według układu stabilnego, co umożliwiałoby bardzo efektywną ferrytyzację żeliwa. Key words: ductile cast iron, eutectoid transformation 1. WSTĘP Charakterystyczną cechą przemiany eutektoidalnej żeliwa, w odróżnieniu od stali, jest możliwość zachodzenia jej zarówno według układu stabilnego jak i metastabilnego. W przypadku niestopowego żeliwa sferoidalnego przemiana eutektoidalna w przedziale temperaturowym Ar 1 zachodzi najczęściej według obu tych układów, przy czym przemiana +Gr poprzedza przemianę perlit [1,2,3,4]. Autorzy japońscy [2] przedstawiają wykresy CTPi żeliwa sferoidalnego, których charakterystyczną cechą jest całkowite rozdzielenie przedziałów temperaturowych przemiany stabilnej i metastabilnej. Pomiędzy przedziałem oznaczonym Ag 1, wewnątrz którego austenit przemienia się wg schematu +Gr, lecz nie do końca, a wąskim dr inż. Tadeusz Szykowny, Tadeusz.Szykowny@atr.bydgoszcz.pl 303

przedziałem A 1 przemiany perlitycznej istnieje przedział temperaturowy, w którym przemiana eutektoidalna wyłącznie i do końca przebiega wg układu stabilnego. Istnienie tego przedziału temperaturowego pozwalałoby w praktyce na bardzo efektywne (krótkotrwałe i prowadzące do 100 % ferrytu) izotermiczne wyżarzanie ferrytyzujące żeliwa. Wykres CTPi żeliwa sferoidalnego, opracowany metodą dylatometryczną przez autorów francuskich [4], wskazuje również na możliwość pełnej ferrytyzacji na drodze wyłącznej przemiany eutektoidalnej wg układu stabilnego. W książce Cz.Podrzuckiego [3] zamieszczone są wykresy CTPi żeliwa szarego, z których wynika, iż przedziały temperaturowe przemiany stabilnej i metastabilnej częściowo nakładają się. Cementyt eutektoidalny jest nietrwały i w trakcie izotermicznego wytrzymywania w obrębie temperaturowym przemiany eutektoidalnej ulega rozpadowi na grafit i ferryt. Poglądy na kinetykę tego procesu są zróżnicowane[1,2,4]. A. Bylica [5] uznaje, że w żeliwie sferoidalnym proces grafityzowania może zachodzić w ślad za procesem wydzielania się cementytu. Większość wykresów CTPi, wykonano stosując metodę dylatometryczną. Metoda ta, jakkolwiek pozwala na ciągłe śledzenie przemiany, to dane kinetyczne i struktura końcowa próbek dylatometrycznych niewystarczająco charakteryzują przemianę. W artykule [6], opierając się o badania metalograficzne próbek dylatometrycznych oziębianych w poszczególnych, sygnalizowanych przebiegiem krzywej dylatometryc z- nej charakterystycznych stadiach przemiany, ujawniono rażącą niezgodność wyników dylatometrycznych z metalograficznymi. Efekt rozszerzenia sygnalizujący początek przemiany w temperaturze 780 o C, pojawia się, gdy jest ona już bardzo zaawansowana (ok. 60% ). Jest to skutkiem nakładania się skurczu wywołanego odwęglaniem osnowy z rozszerzeniem towarzyszącym przemianie eutektoidalnej. Krzywa dylatometryczna nie pozwala na pewną, odrębną identyfikację składowych: stabilnej i metastabilnej przemiany. Mając na uwadze niewystarczającą informatywność metody dylatometrycznej, postanowiono w niniejszej pracy prześledzić izotermiczną przemianę eutektoidalną żeliwa w obrębie temperaturowym Ar 1 w oparciu o metodę metalograficzną. Cel praktyczny pracy zawiera się w poszukiwaniu przedziału temperaturowego, wewnątrz którego przemiana zachodzi wyłącznie i do końca według układu stabilnego, co stwarzałoby możliwość bardzo efektywnego ferrytyzowania żeliwa. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto jeden gatunek niestopowego żeliwa sferoidalnego o następującym składzie chemicznym (% mas.) : C-3,82; Si-3,41; Mn-0,19; P-0,057; S- 0,02; Cr-0,04; Cu-0,04; Ti-0,019; Mg-0.05. Współczynnik izografityzacji K G " dla przemiany eutektoidalnej wynosi 12,74, natomiast wartość stopnia nasycenia eute k- tycznego Sc = 1.2. Wartości temperatury krytycznej wyznaczone podczas ciągłego nagrzewania i chłodzenia z prędkością 2K/min wynoszą: Ac 11 = 829, Ac 12 = 897, Ar 11 = 814, Ar 12 = 737 o C. Na podstawie próby rozciągania żeliwo zakwalifikowano do gatunku EN-GJS-500-07. 304

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Żeliwo wytopiono w indukcyjnym piecu tyglowym sieciowej częstotliwości o pojemności 3,5 t ze wsadu składającego się z surówki Sorel F1 i złomu obiegowego żeliwa sferoidalnego. Sferoidyzowanie ciekłego żeliwa zaprawą FeMgSi i modyfikowanie żelazokrzemem FeSi75 przeprowadzono w kadzi odlewniczej. Żeliwo odlano do form wilgotnych odtwarzających klin YII (PN-92/H-83123). Z prostopadłościennych części klina pobrano wałki o średnicy 20mm, które pocięto na krążki o grubości 3mm, stan o- wiące próbki do badań. Próbki poddano obróbce cieplnej zgodnie ze schematem jak na rysunku 1. Wybór krańcowych wartości temperatury izotermicznego wychładzania musiał być oparty na wstępnych badaniach metalograficznych, gdyż wartości uzyskane z badań dylatometrycznych podczas ciągłego nagrzewania i chłodzenia z prędkością 2K/s dalece nie odpowiadają rzeczywistym wartościom dla warunków izotermicznych. Rys. 1. Schemat obróbki cieplnej żeliwa dla sporządzenia wykresu CTPi Fig. 1. The scheme of cast iron heat treatment for making TTT diagram Wszystkie próbki podlegały ilościowej analizie metalograficznej metodą siatki punktów [7]. Wybrane próbki poddano liniowej mikroanalizie rentgenowskiej. Wzdłuż linii łączącej centra ziaren eutektycznych analizowano zawartość krzemu, manganu, chromu i fosforu. 3. WYNIKI BADAŃ WRAZ Z ANALIZĄ Obserwacje mikroskopowe wykazały, iż pierwszym produktem izotermicznej przemiany eutektoidalnej żeliwa w całym przedziale Ar 1, jest mieszanina ferrytycznocementytowa krystalizująca w obszarach granicznych ziaren eutektycznych. Rozgałęzione ziarna tej struktury mają najczęściej kontakt z cementytem lub mikroporami (rys. 2). 305

Rys.2. Mikrostruktura żeliwa hartowanego z temperatury 760 o C po 26 s izotermicznego wychładzania, pow. mikr. 500x, traw. nital Fig. 2. The microstructure of hardening from the temperature of 760 C cast iron, after 26s of isothermal cooling, mult. 500x, natal etched Najwcześniej wykrystalizowany perlit w trakcie izotermicznego wychładzania ulega charakterystycznym przemianom w zależności od temperatury wychładzania. W górnym zakresie przedziału Ar 1 (840 i 820 o C) z upływem czasu wychładzania następuje przemiana ferrytu, będącego składową perlitu z powrotem w austenit, a cementyt ulega grafityzacji i sferoidyzacji. W końcowym efekcie obszary zajęte uprzednio przez perlit, stanowią skupiska kulek cementytowych na tle austenitu (na rys.3 martenzytu). Ilustrację opisanej przemiany stanowi rysunek 3. W omawianym przedziale temperatury wychładzania, pierwsze, wielokątne ziarna ferrytu, odrębnie krystalizują w osnowie, gdy przemiana perlitu jest zakończona. Nie posiadają one kontaktu z grafitem, nie są również związane z obszarami perlitu (rys.3f). Z upływem czasu wychładzania rozp o- czyna się wzrost ferrytu od granicy A/Gr jak również w osnowie w postaci siatki lub agregatów ziaren. W żeliwie wychładzanym 8h w temperaturze 820 o C obserwuje się w pełni ukształtowane otoczki ferrytu. Przyczynę opisanej wyżej przemiany ferrytu w austenit podczas wychładzania w temperaturze bliskiej Ar 11 należy upatrywać w tym, iż pierwotnie wykrystalizowany perlit posiada większą zawartość cementytu aniżeli eutektoid równowagowy. Szybki, częściowy rozpad cementytu uwalnia taką ilość węgla, że ferryt sąsiadujący z cementytem przemienia się na powrót w austenit. a) b) c) 306

d) e) f) ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.3. Mikrostruktura próbek żeliwa hartowanych z temperatury 840 o C po czasie wychładzania izotermicznego: a) 30 s, b) 135 s, c) 270 s, d) 990 s, e) 1815 s, f)3615 s. Obszary graniczne ziaren eutektycznych, pow. mikr. 1000x, traw. nital Fig. 3. The microstructures of cast iron hardened from temperature 840 C after following time of isothermal cooling: a) 30 s, b) 135 s, c) 270 s, d) 990 s, e) 1815 s, f) 3615 s. The boundary areas of eutectic grains, mult. 1000x, natal etched Dla żeliwa wychładzanego w temperaturze 800 o C charakterystycznym jest to, że ferryt perlityczny ulega częściowo przemianie w austenit, częściowo pozostaje jako trwały składnik struktury. O częściowej przemianie ferrytu perlitycznego w austenit (ruchu granicy międzyfazowej A/P w głąb P) świadczy obecność kulek cementytu w austenicie (martenzycie) graniczącym z obszarem przemieniającego się perlitu (rys. 4). Rys.4. Mikrostruktura żeliwa hartowanego z temperatury 800 o C po 5430 s izotermicznego wychładzania. Obszar graniczny ziaren eutektycznych, pow. mikr. 1000x, traw. nital Fig. 4. The microstructure of cast iron hardened from the temperature 800 C after 5430 s of isothermal cooling. The boundary areas of eutectic grains, mult. 1000x, natal etched W żeliwie wychładzanym w temperaturze bliskiej Ar 12 (780, 760 o C) po uprzednim wykrystalizowaniu niewielkiej ilości perlitu w obszarach granicznych ziaren eutektyc z- nych i uformowaniu otoczek ferrytycznych wokół grafitu, następuje przemiana pozost a- 307

łej części austenitu w perlit. Dalszy przyrost ferrytu odbywa się dzięki rozpadowi cementytu eutektoidalnego. W temperaturze 760 o C izotermiczna przemiana eutektoidalna zachodzi do końca. Wystąpienie niestabilnej mieszaniny ferrytyczno-cementytowej, jako pierwszego produktu izotermicznej przemiany eutektoidalnej w całym zakresie Ar 1, w żeliwie o dużej skłonności do grafityzacji, jest zjawiskiem dotychczas nie opisywanym w literaturze przedmiotu. Z badań mikrosegregacji chemicznej wynika, że w obszarach najwcześniej p o- wstałego perlitu występuje specyficzny układ mikrosegregacji, charakteryzujący się lokalnym zmniejszeniem stężenia manganu, zwiększeniem stężenia krzemu oraz obecnością maksimów zawartości fosforu i chromu (rys. 5). Rys. 5. Rozmieszczenie: a) krzemu, manganu, b) fosforu i chromu w żeliwie wychładzanym przez 986 sekund w temperaturze 820 o C Fig. 5. The distribution of: a) silicon, manganese, b) phosphorus and chromium in cast iron cooled down during 986 s in the temperature of 820 C. Zidentyfikowany układ mikrosegregacji w obszarach granicznych ziaren eutektycznych może sprzyjać zachodzeniu tam przemiany metastabilnej, gdyż: -zmniejszenie zawartości manganu, zwiększenie zawartości krzemu i fosforu podnosi wartości temperatury przemiany eutektoidalnej, -zwiększenie zawartości chromu powoduje wzrost temperatury przemiany γ α+fe 3 C i jednoczesne obniżenie temperatury przemiany γ α +Gr [8,9]. Rozpoczęcie przemiany eutektoidalnej krystalizacją perlitu ma zapewne również swoją przyczynę w ogólnie stosunkowo wysokiej zawartości wejściowej węgla w osnowie. Na podstawie dyfrakcyjnych pomiarów tetragonalności martenzytu żeliwa hartowanego bezpośrednio z temperatury austenityzacji obliczono, że wynosi ona 0.92% C. 308

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Wyniki metalograficznej analizy ilościowej, uwzględniającej zawartość ferrytu i perlitu jako funkcji czasu izotermicznego wychładzania dla poszczególnych wartości temperatury przemiany przedstawiono na rys.6. Całkowity stopień przemiany η, w zależności od tych czynników przedstawiono na rys.7. Rys.6. Zależność zawartości ferrytu (F), perlitu (P) od czasu izotermicznego wychładzania w temperaturze Tw: 840, 820, 800, 780, 760 o C Fig. 6. The dependences of contents of ferrite (F) pearlite (P) contents on time of the isothermal cooling in the temperatures Tw: 840, 820, 800, 780 and 760 C Zawartość ferrytu w funkcji czasu wychładzania jest zależnością stale rosnącą, n a- tomiast zawartość perlitu jest zależnością z maksimum. Przemiana eutektoidalna w temperaturze 840 800 o C realizuje się w decydującej mierze wg układu stabilnego γ α +Gr. Wychładzanie w niższej temperaturze wywołuje stosunkowo szybki i znac z- ny wzrost zawartości perlitu, którego rozpad przyczynia się do ciągłego przyrostu ferrytu. Na przebiegu funkcji stopnia przemiany η od czasu izotermicznego wychładzania w temperaturze 840 i 820 o C zaważyła opisana wcześniej przemiana perlitu w mieszaninę austenitu i cementytu, powodując, że funkcja ta jest nieciągła (840 o C) lub wykazuje długi okres stabilizacji w początkowym okresie (820 o C) (rys.7). 309

Rys.7. Zależność ogólnego stopnia przemiany η od czasu izotermicznego wychładzania w temp e- raturze Tw: 840, 820, 800, 780, 760 o C Fig. 7. The dependences of general degree of transformation, on the time of isothermal cooling in the temperatures Tw: 840, 820, 800, 780 and 760 C W pozostałych przypadkach ogólny stopień przemiany austenitu jest funkcją wykazującą dla początkowego okresu powolny wzrost, a następnie przyśpieszenie i kole j- ny spadek prędkości przemiany; jest więc funkcją odpowiadającą opisowi równaniem Avrami ego. Interpolowane (i ekstrapolowane) liniowo wartości czasu potrzebnego do zajścia określonego stopnia przemiany stały się podstawą do sporządzenia wykresu CTPi (rys. 8). 310

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.8. Wykres CTPi żeliwa uwzględniający: a) zawartość ferrytu (F), perlitu (P), sferoidytu (S), b) ogólny stopień przemiany austenitu η Fig. 8. The TTT diagram of cast iron taking into consideration: a) ferrite (F), pearlite (P), spheroidite (S) contents, b) general degree of the austenite transformation Czas potrzebny do zajścia określonego stopnia przemiany austenitu w perlit jak i w ferryt pochodzący z przemiany stabilnej ulega ze spadkiem temperatury wychładzania systematycznemu zmniejszaniu. Czas potrzebny do otrzymania określonej, równej lub większej od 10% zawartości ferrytu ulega w najniższej temperaturze (760 o C) wydłużeniu. To wydłużenie czasu wynika bezpośrednio stąd, iż dalszy wzrost zawartości ferrytu w najniższych temperaturach odbywa się głównie dzięki rozpadowi cementytu eutektoidalnego. Obniżenie temperatury wychładzania spowalnia dyfuzyjny proces rozpadu cementytu i w konsekwencji wydłuża czas potrzebny do otrzymania określonej zawartości ferrytu. Wartości czasu potrzebnego do osiągnięcia takiego stopnia rozpadu cementytu, że w osnowie pozostaje 1% sferoidytu ulegają systematycznemu wydłużaniu w miarę spadku temperatury (rys. 8a). 311

PODSUMOWANIE Przemiana eutektoidalna w całym przedziale temperaturowym Ar 1 rozpoczyna się według układu metastabilnego. Najwcześniej wykrystalizowany perlit zajmuje obszary graniczne ziaren eutektycznych o podwyższonej zawartości krzemu i obniżonej zawa r- tości manganu. Krystalizacji perlitu sprzyja również wysoka, ogólna zawartość węgla w osnowie. Usytuowanie najwcześniej wykrystalizowanych ziaren ferrytu bez kontaktu z grafitem ma zapewne związek z mikrosegregacją chemiczną. Niemożliwa jest pełna ferrytyzacja żeliwa na drodze wyłącznie przemiany izotermicznej wg układu stabilnego. Żeliwo wychładzane w temperaturze 760 C przez 8 h jest niemal w pełni ferrytyczne (0,6% sferoidytu). LITERATURA [1] Bunin K.P., Taran J.N. Stroenie čuguna, Izd. Metallurgia, Moskva, (1972); [2] Okumoto Takeomi i in.: Improving the mechanical properties of pearlitic ductile iron by two-step normalizing, AFS Transactions, vol. 79, s. 473, (1971); [3] Podrzucki Cz.: Żeliwo, Tom I, Wyd. ZG STOP, Kraków, (1991); [4] Ikhlef A. i in.: Evolutions structurales de fontes G.S. au cours de diffėrents types de traitements thermiques, Hommes et Fonderies, nr 1, s. 9, (1982); [5] Bylica A.: Wpływ krzemu i manganu oraz szybkości grzania i chłodzenia na temperatury przemiany A 1 w żeliwie sferoidalnym, Zeszyty Naukowe Polit. Śląskiej nr 329, (1972); [6] Szykowny T.: Efekty dylatacyjne towarzyszące izotermicznej przemianie eutektoidalnej w żeliwie sferoidalnym. II Pomorska Konf. Nauk. Inżynieria Materiałowa 2002, Materiały, Polit. Gdańska, Gdańsk-Wieżyca, s. 79, (2002); [7] Ryś J.: Stereologia materiałów, Wyd. Fobit Design, Kraków, (1995); [8] Piaskowski J., Jankowski A.: Żeliwo sferoidalne, Wyd. II WNT, Warszawa, (1974); [9] Schissler J. M. i in.: Structurales dual-phase dans les fontes a graphite spheroidal, Hommes et Fonderies, nr 8-9, s. 9, (1988). SUMMARY ISOTHERMAL EUTECTOIDAL TRANFORMATION IN DUCTILE CAST IRON EN-GJS-500-07 TTT diagram of ferritic-pearlitic cast iron was obtained by metallographic method in the Ar 1 temperature range. The kinetics and action of eutectoidal transformation were presented. The practical aim of these investigations was searching of temperature range in which transformation run only in accordance with stable system. These conditions enable high effective cast iron ferritizing annealing. Recenzował: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kapturkiewicz 312