41/1 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 1(1/) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 006, Volume 6, Nº 1 (1/) PAN Katowice PL ISSN 164-5308 UDARNO ELIWA ADI S. DYMSKI 1, Z. ŁAWRYNOWICZ, T. GITKA 3 Katedra Inynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE W pracy analizowano wpływ parametrów hartowania z przemian izotermiczn na udarno niestopowego eliwa z grafitem kulkowym. Analiza dotyczyła temperatury austenityzowania w zakresie 80 950 C w czasie 60 min. i temperatury przemiany izotermicznej w zakresie 400 50 C w czasie 15, 30, 60, 10 i 40 min. Próbki do badania udarnoci wycito z dolnych czci wlewków próbnych oddzielnie odlewanych o kształcie litery Y typ II (PN EN 1563). Badanie wykonano na próbkach bez karbu i wyznaczono udarno KCG. Po wykonaniu zgładów metalograficznych, na przekroju próbek udarnociowych, oceniono mikrostruktur. Przełomy próbek poddano analizie mikrofraktograficznej. Otrzymane wyniki bada posłuyły do sporzdzenia wykresów przestrzennych i wyznaczenia wzorów matematycznych. Stwierdzono, e temperatura austenityzowania i warunki przemiany izotermicznej wpływaj na udarno eliwa ADI. Mikrostruktura jak i charakter przełomów próbek udarnociowych s zalene od parametrów hartowania eliwa ADI. Key Words: austenitising, austempering, impact strength, ADI 1. WPROWADZENIE eliwo ADI ma du wytrzymało i plastyczno. Ausferrytyczna osnowa metalowa gwarantuje, e ADI odznacza si wyjtkowo korzystn odpornoci na 1 prof. nadzw. ATR dr hab. in., stanislaw.dymski@atr.bydgoszcz.pl dr in., lawry@atr.bydgoszcz.pl 3 mgr in., tgietka@atr.bydgoszcz.pl
działanie napre dynamicznych udarnoci. Struktura krystaliczna RSC austenitu ma du liczb systemów polizgu, std ta niezwykle pozytywna cigliwo ausferrytycznej osnowy eliwa ADI. Na wytrzymało, plastyczno i udarno oraz twardo wpływa temperatura austenityzowania t, temperatura t i czas ausferrytyzowania (przemiany izotermicznej) [1 6]. Praca uderzenia perlitycznego eliwa z zawartoci 1,6% Ni i 1,6 % Cu przy podwyszaniu temperatury t rosła, gdy ausferrytyzowano w t = 35 i 300 C, a przy - t = 400, 375 i 350 C malała. Plastyczno natomiast w temperaturze t = 350 C i czasie = 4 godz. ausferrytyzowania si zmniejszyła, pomimo duego udziału objtociowego austenitu [7]. eliwo o zawartoci 3,31 % Si po austenityzowniu w t = 950 C i = 60 min oraz ausferrytyzowaniu w t = 360 C i czasie = 60 min uzyskało optymaln warto pracy uderzenia K = 117 J [8]. Analiza wpływu udziału austenitu na udarno lub energi uderzenia eliwa ADI, przy uwzgldnieniu temperatury austenityzowania, temperatury i czasu ausferrytyzowania w zakresie ausfferytu górnego i ausferrytu dolnego była przedmiotem bada w pracy [, 4, 5, 7 9]. W celu zwikszenia czasu przedziału obróbki (processing window) i tym samym udziału austenitu w osnowie eliwa ADI wprowadzano erwiastki stopowe Mn, Mo i Cu [,4,5] oraz Cu i Ni [7]. Na poziom plastycznoci i udarnoci eliwa ADI wpływa udział objtociowy wysokowglowego austenitu w jego osnowie metalowej. Due wartoci s wynikiem wikszego udziału austenitu w austenityzowanym eliwie [9 1]. Praca ma na celu przedstawienie bada wpływu warunków hartowania z przemian izotermiczn tj. temperatury austenityzowania t, temperatury t i czasu ausferytyzowania niestopowego eliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej w stanie wyjciowym. Problematyka badania jest bezporednio zwizana z jakoci tworzywa odlewniczego w procesie wytwarzania.. MATERIAŁ DO BADA I METODY BADAWCZE Do bada uyto eliwo wytoone w eliwiaku kwanym z gorcym dmuchem. Oddzielnie odlewane wlewki próbne miały kształt litery Y typ II (PN-EN 1563). Dolne czci wlewków próbnych eliwa sferoidalnego poddano dwustopniowemu wyarzaniu ferrytyzujcemu. Po tej operacji cieplnej mikrostruktura osnowy składała si z ferrytu (98%) i perlitu (%). Na podstawie próby rozcigania eliwo zakwalifikowano do gatunku EN-GJS-400-18. Udarno po takiej obróbce cieplnej zwikszyła si z KCG = 36,6 J/cm w stanie wyjciowym do KCG = 11 J/cm (arytmetyczna rednia warto trzech pomiarów na próbkach bez karbu symbol G). Wyznaczone za pomoc analizy dylatometrycznej temperatury krytyczne s nastpujce: Ac 1,1 = 780 C, Ac 1, = 87 C, Ar 1,1 = 750 C i Ar 1, = 705 C. Temperatury pocztku przemiany bainitycznej i martenzytycznej wyznaczone analitycznie maj wartoci: B s = 437 C i M s = 45 C [9, 1]. 370
Hartowanie eliwa sferoidalnego wykonano z temperatury austenityzowania t = 950, 860, 830 i 80 C po wygrzewaniu w czasie = 60 min.. Nastpnie wyjmowano z eca komorowego i podchładzano oraz wytrzymywano w zakresie temperatur t = 400 50 C w przedziale czasu = 15 40 min. Izotermiczne wychładzanie (ausferytyzowanie) odbyło si w ecu wannowym z kel soln SO140. Po wyznaczonym czasie ausferytyzowania próbki do temperatury otoczenia (0 C) dochładzano w oleju. Powierzchni próbek szlifowano rcznie na paerze ciernym w celu usunicia ewentualnej warstwy utlenionej. Badanie udarnoci wykonano przy uyciu młota udarowego o energii uderzenia 94 J. Próbki bez karbu, o wymiarach 10 x 10 x 55 mm, układano na podpory młota w taki sposób, aby młot uderzał w bok próbki, który był po stronie powierzchni surowego odlewu. Pomiary twardoci wykonano na przekroju próbek według Vickersa przy obcieniu 94 N. Kada warto twardoci próbki eliwa jest arytmetyczn redni wyników ciu pomiarów. Niektóre przełomy próbek udarnociowych obserwowano za pomoc elektronowego mikroskopu skaningowego. Do okrelenia zalenoci matematycznej wybrano wielomian algebraiczny drugiego stopnia z podwójnymi interakcjami. Aproksymacj numeryczn wielomianu algebraicznego przeprowadzono metod najmniejszych kwadratów. Weryfikacj statystyczn w odniesieniu do adekwatnoci funkcji i istotnoci jej współczynników oparto na analizie wariancji (test F) i zastosowanie testu t Studenta. Do weryfikacji aproksymacji wykorzystano współczynniki korelacji wielowymiarowej r. Obliczenia przeprowadzono za pomoc programu komputerowego STATISTICA. 3. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Warunki technologiczne operacji hartowania tj. temperatura austenityzowania t, temperatury t i czasu ausferrytyzacji znaczco wpływaj na poziom udarnoci eliwa ADI. Najwiksze wartoci udarnoci ma eliwo austenityzowane w t = 830 0 C i ausferrytyzowane w t = 400, 350 i 300 C. Najmniejsz udarno wykazuje eliwo hartowane z temperatury t = 950 C. Daje si wyranie zauway, e po austenityzowaniu w t = 80 i 860 C eliwo ADI ma porednie wartoci udarnoci. Po weryfikacji istotnoci i adekwatnoci funkcje matematyczne, po usuniciu składników nieistotnych funkcja wpływu warunków hartowania na udarno eliwa ADI maj nastpujce postacie: dla temperatury austenityzowania t = 950 C: J KCG 950 = - 66,4666 + 3,9931 t + 0,54151τ - 0, 005696 t - 0, 001599 τ, ( 1) cm współczynnik korelacji tego równania (1) ma posta r = 0,8484 i determinacji r = 0,7197, dla temperatury austenityzowania t = 860 C: 371
KCG J = -118,885 + 0,61414t + 0,530156τ - 0,00193t, cm 860 τ () współczynnik korelacji tego równania () ma warto r = 0,8949 i determinacji r = 0,8009, dla temperatury austenityzowania t = 830 C: KCG J = -1080,0164 + 6,1171t + 1,5706τ - 0,007064τ - 0,004974t,.(3) cm 830 τ współczynnik korelacji tego równania (3) ma warto r = 0,9073 i determinacji r = 0,833, dla temperatury austenityzowania t = 80 C: KCG J = -54,15375 + 0,41133t + 0,5055τ - 0,001654t, cm 80 τ (4) współczynnik korelacji tego równania (4) ma warto r = 0,855 i determinacji r = 0,7315. Równania matematyczne (1) (4) w wyniku analizy statystycznej maj współczynniki istotne na poziomie prawdopodobiestwa alfa = 0,05 i s adekwatne. gdzie: KCG 950, 860, 830, 80 udarno próbek eliwa ADI bez karbu; t temperatura ausferrytyzacji w C; czas ausferrytyzacji w min.. Zmiany udarnoci pod wpływem temperatury austenityzowania i czasu ausferrytyzacji przedstawiono na (rys. 1). Analiza mikrostruktury wykazała, e eliwo ADI po hartowaniu z t = 950 i 860 C ma osnow metalow składajc si z ausferrytu górnego (t = 400 i 350 C) i dolnego (t = 300 i 50 C). Po hartowaniu z t = 830 i 80 C obok ausferrytu znajdował si przedeutektoidalny ferryt, który mógł nie ulec przemianie w austenit lub utworzy si z ubogiego w wgiel austenitu. Problem ten został wyjaniony w pracach [8, 9]. Poziom udarnoci eliwa ADI wpływa na charakter powierzchni złomu próbek po dynamicznym łamaniu za pomoc standardowego młota udarowego. Rysunek przedstawia fotografi wybranych przełomów próbek udarnociowych. 37
a) b) c) d) Rys. 1. Wpływ temperatury i czasu ausferrytyzacji na udarno eliwa ADI hartowanego z temperatury 950 C (a); 860 C (b); 830 C (c) i 80 C (d) Fig. 1. Influence of temperature and time austempering on impact strength KCG in ADI hardened from temperatures 950 C (a); 860 C (b); 830 C (c) and 80 C (d) 373
a) b) c) d) Rys.. Przełom eliwa ADI hartowanego z temperatury: t = 950 0C i ausferrytyzowanego w t = 400 C i w czasie = 30 min (a), t = 860 C i ausferrytyzowanego w t = 50 C i w czasie = 10 min (b), t = 830 C i ausferrytyzowanego w t = 350 C i w czasie = 30 min (c), t = 80 C i ausferrytyzowanego w t = 300 C i w czasie = 10 min (d). Pow. mikroskopowe 1000x Fig.. The fracture samples on impact test ADI hardening in temperatures: t = 950 C and austempered t = 400 C at of the time = 30 min (a), t = 860 C and austempered t = 50 C at of the time = 10 min (b), t = 830 C and austempered t = 350 C at of the time = 30 min (c), t = 80 C and austempered t = 300 C at of the time = 10 min (d). SEM (1000x) 374
4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone w pracy badania wpływu temperatury austenityzowania, temperatury i czasu ausferrytyzacji, pozwalaj na przedstawienie nastpujcych stwierdze: udarno niestopowego eliwa ADI zaley od warunków hartowania z przemian izotermiczn, co zostało potwierdzone analiz zmiennych po weryfikacji istotnoci i adekwatnoci funkcji matematycznych, hartowanie z temperatury t = 830 C zaowocowało najwiksz udarnoci eliwa ADI, niska temperatura t spowodowała, e w osnowie eliwa ADI był wolny ferryt (przedeutektoidalny), a jego obecno wpłynła na poziom udarnoci, porównujc wyniki bada z wartociami pracy uderzenia, zawartymi w PN - EN i ASTM A 897M 90, mona zauway, e udarno eliwa ADI hartowanego z temperatury t = 830 C i wytrzymywanego w zakresie górnego ausferrytu jest bardzo korzystna, poniewa znaczco przekracza wartoci podane w normach. LITERATURA [1] A.S. Hamid Ali, R. Elliott: Materials Science and Technology, Vol. 1, August, s.679, (1996). [] A.S. Hamid Ali, R. Elliott: Materials Science and Technology, Vol. 1, September, s.780, (1996). [3] A.S. Hamid Ali, R. Elliott: Materials Science and Technology, Vol. 1, December, s.101, (1996). [4] A.S. Hamid Ali, R. Elliott: Materials Science and Technology, Vol. 13, January, s.4, (1997). [5] H. Bayati, R. Elliott: Materials Science and Technology, Vol. 13, April, s.319, (1997). [6] E. Guzik: Procesy uszlachetnienia eliwa. Wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa. PAN Katowice. Monografia nr 1M, (001). [7] M. Grech, J.M. Young: Materials Science and Technology, Vol. 6, No 5, s.415, (1990). [8] J. Mallia, M. Grech: Materials Science and Technology, Vol. 13, No 5, s.408, (1997). [9] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właciwoci mechanicznych eliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej. Rozprawy nr 95. Dział Wydawnictw ATR Bydgoszcz, (1999). [10] S. Dymski: Inynieria Materiałowa 000. I Pomorska Konferencja Naukowa. Gdask Sobieszewo, s.35, 5-6 maj 000. [11] S. Dymski: Archiwum Odlewnictwa. PAN Katowice. R3, Nr 8, s.51, (003). [1] Z. Ławrynowicz, S. Dymski: Archiwum Odlewnictwa. PAN Katowice R6, Nr 19, s.171, (006). 375
IMPACT STRENGTH OF ADI SUMMARY The aim of the present research is to analyse the parameters of austempering on impact strength of unalloyed cast iron with spheroidal graphite. The analysis concerns austenitizing temperature at a range 80 950 0 C and holding 60 minutes and then austempering at temperatures between 400 and 50 0 C and holding at this time for 15, 30, 60, 10 and 40 minutes. Unnotched Charpy specimens (10 x 10 x 55 mm) were machined from Y blocks type II (PN - EN 1563). The fractured specimens were used for microstructural characterization. The fractured surface of impact tested specimens were analysed to identify the fracture mode. The results of these experiments were used to prepare threedimensional graphs and mathematical equations. It was shown that impact strength of ADI depends on austenitizing temperature and conditions of austempering. The microstructure and fracture mode of ADI strongly depend on parameters of austempering. Recenzował: prof. Edward Fra. 376