36/6 SoUdificaaioa ofmclal.s add AIJoys. No.36, 1998

36/6 SoUdificaaioa ofmclal.s add AIJoys. No.36, 1998 Krzepaięde Metali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN- Oddział Katowic:e PL ISSN 0208-9386 WRAżLIWOŚĆ MIKROSTRUKTURY ŻELIWA WYSOKOCHROMOWO-MOLIBDENOWEGO NA GRUBOŚĆ ŚCIANKI ODLEWU KOSOWSKI Adam, STASZCZAK Leopold, STYRKOSZ Jan, TYRAŁA Edward Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Odlewnictwa ul.reymonta 23, 30-059 Kraków W pracy omówiono mikrostrukturę żeliwa wysokochromowo-molibdenowego o stosunku Cr/C = 30, zawierającego ok. l % C i ok.30 % Cr oraz dodatki molibdenu (1+3,5 %), uzyskiwaną w odlewach o różnej grubości ścianki. Przedstawiono także mriany w strukturze tych odlewów zachod7..ące podczas wyżarzania w wysokiej temperaturze. Wprowadzenie Żeliwo wysokochromowe, zależnie od składu chemicznego, stosowan.e jest na odlewy pracujące w różnych warunkach. Główne właściwości określające jego zastosowanie to: odporność na ścieranie, żaroodporność i odporność na korozję. Obszar wykorzystania tego żeliwa jako tworzywa odpornego na korozję poszerza zastosowanie molibdenu, albowiem pierwiru.1ek ten bardzo silnie zwiększa jego odporność korozyjną w ośrodkach zawierających jony chloru [1,2]. Odlewy z tego żeliwa mają często złożony kształt i różną grubość ścianki. Może to powodować niejednorodność mikrostro.kturalną w obrębie tego samego odlewu i w konsekwencji niejednorodność właściwości. Ponadto podczas pracy odlewów w wysokiej temperaturze zachodzić mogą procesy prowadzące do stabilizacji mikrostruktury utworzonej w wanmkach nierównowagowego krzepnięcia. Zmiany mikrostruktury, związane z tymi procesami, mogą być niekorzystne z punktu widzenia właściwości eksploatacyjnych odlewów, zwłaszcza w przypadkach kiedy wymagana jest stabilność

50 wymiarowa. W takich przypadkach można rozważać zastosowanie obróbki cieplnej poprzedającej eksploatację. która miałaby na celu ustabilizowanie struktwy. W referacie przedstawiono wyniki niektórych badań dotyczących powyższych zagadnień realizowanych w ramach pracy [ 4 ]. Badania te dotyczą żeliwa wysokochromowo-molibdenowego podeutektycznego o osnowie ferrtycznej, którego skład chemiczny jest następujący : C= 1,0 + 1, 15 %, Mn = 0,5 + 0,6 o/o. Si = 0,4 + 0,6o/o. Cr = 29 + 31 o/o, a dodatki molibdenu wynoszą : 1,1 o/o. 2,2% i 3,5%. Obejmują one zagadnienie wpływu grubości ścianki odlewu na skład fazowy i morfologię mikrostruktury żeliwa oraz wpływ na tę mikrostrukturę wysokotemperaturowego izotermicznego wyżarzania odlewów. Metodyka badań Żeliwo wytopiono w piecu indukcyjnym z tyglem grafitowo-szamotowym. Do kąpieli metalowej o temperaturze 1550 C wprowadzono czysty tytan i alwninium w ilości po 0,3% każdego pierwiastka. Są to pierwiastki. w znacznym stopniu eliminują wady nieciągłości w odlewach oraz rozdrabniają mikrostrukturę (3]. Po ochłodzeniu ciekłego żeliwa do temperatury 1470+1450 C odlewano z niego płytki o różnej grubości ścianki (3+20 mm) w formach piaskowych. Stosunek powierzchni płytek do ich objętości ( moduł.,w' ) zmieniał się w zakresie 1,5+7,5. Odlewy płytek wygrzewano izotermicznie w temperaturze 1050 C i następnie chłodzono do temperatury otoczenia wraz z piecem. Badania płytek po odlaniu i po wyżarzaniu obejmowały ilościową ocenę niektórych cech mikrostruktury realizowaną metodami klasycznymi, rentgenowską analizą fazową (przy zastosowaniu dyfraktometru rentgenowskiego Kristallotlex 4H), analizę punktową stężenia pierwiastków w fazach mikrostruktwy (przy zastosowaniu mikroanalizatom rentgenowskiego SEMQ f.arl) oraz pomiar twardości. Mikrostruktura pierwotna w odlewach o różnej grubości ścianek Mikrostruktura badanego żeliwa we wszystkich analizowanych odlewach złożona jest z dendrytycznych wydzieleń ferrytu chromowego oraz mieszaniny eutektycznej ferrytu i wydzieleń węglikowych. Zmiana warunków krzepnięcia żeliwa spowodowana różną grubością ścianek odlewów prowadzi do jakościowych i ilościowych różnic w mikrostrukturze. ilustrują to dane zawarte w tab. l i 2 oraz na rys. l i 2. Wraz u zmniejszeniem grubości ścianki zmniejsza się udział wydzieleń ferrytu chromowego (rys. l) i wielkość tych wydzieleń (rys. 2), scharakteryzowana średnią cięciwą "d" pól ferrytu na płaskim zgładzie metalograficznym. Zwiększenie prędkości kr'upnięcia powoduje również silne rozdrobnienie wydzieleń weglikowych. Typowe różnice mikrostruktury w płytkach o różnej grubości prudstawiają mikrofotografie zamieszczone na rys.3.

51 ~. 1 -o-.2-6-.3 ~+---~--~----+----+----~--~---+--~ o 2 3 4 s 6 7 8 Moduł W Rys. l Wpływ grubości ścianki odlewów płytek na udział objętościowy fenytu : 1- żeliwo 1,0 o/oc + 1,00/o Mo; 2- żeliwo 1,00/oC + 2,2%Mo; 3- żeliwo 1,00/oC + 3,5%Mo : ~---- -- --- ----- - ------- - --- - _30 E ~. 1 --cr-.2-6-.3 "025 20 o 2 3 4 s Moduł W 6 7 8 Rys.2 Wpływ grubości ścianki odlewów płytek na wielkość wydzieleń fenytu: l- żeliwo 1,0 o/oc + 1,00/o Mo; 2- żeliwo 1.00/oC + 2,2'ł/oMo; 3- żeliwo 1,00/oC + 3,5%Mo

52 Tabela l Skad fazowy żeliwa wysokochromowego i wysokochromowo-molibdenowego w odlewach płytek o różnym module W L. p. Żeliwo Skład fazowy W=l,5 W=4,5 l l,o%c Ferryt + (Fe,Cr)?C3 Ferryt 30%Cr + (Fe,Cr)23C6 + (Fe,CrhCJ 1,00/oC Ferryt Ferryt 2 300/oCr + + l, lo/omo (Fe.Cr,Mo)7C3 (Fe,Cr,Mo},C 3 1,00/oC Ferryt Ferryt 3 3oO/oCr + + 2,2%Mo (Fe,Cr,Mo hc3 (Fe,Cr,Mo,hC3 1,00/oC Ferryt Ferryt+ 4 300/oCr + (Fe,Cr,Mo)23C6 + 3,5%Mo (Fe,Cr,Mo)23C6 --~. (Fe,Cr,Mo),C3 Tabela 2 Stężenie chromu i molibdenu w ferrycie i węglikach żeliwa wysokochromowego i wysokochromowo-molibdenowego w odlewach płytek o różnym module W. L. p Żeliwo Faza w =1,5 w =7,5 l Cr,% Mo,% Cr,% Mo,% 1,00/oC Ferryt 22,5 25,5 300/oCr W~gliki 68,2-648 - 1,00/oC Ferryt 22,3 1,3 24,8 1,17 2 300/oCr 2,2o/oMo Węgliki 69,1 1,6 60,2 1,3 1,00/oC Ferryt 22,7 2,8 23,8 2,5 3 300/oCr 3,5o/oMo We~liki 69, 1 3,5 63,4 3, l Dodatek molibdenu muerua morfologię wydzieleń węglikowych. Przy najmniejszym zastosowanym dodatku, wynoszącym 1,1o/o, zanikają wydzielenia wydłużone, charakterystyczne dla żeliwa bez molibdenu, w miejsce których pojawiają się wydzielenia bardziej zwarte i pogrubione. W przypadku żeliwa z dodatkami 2,2 i 3,5o/o, węgliki eutektyczne przybierają kształt przypominający szkielet ryby (rys.5)

:53 Rys.3. Mikrostruktura żeliwa zawierającego 3,5% Mo w płytkach o module W= 1,5 (a) i module W=7,5 (b). Pow. xloo. Rys.4 Rys.5 Rys.4. Mikrostruktura żeliwa bez dodatku Mo w płytce o module W=l,5. Pow. xloo Rys.5.Mikrostruktura żeliwa z dodatkiem 3,5% Mo w płytce o module W=l,5. Pow. x300 Powyższa forma wydzieleń węglików w eutektyce występuje jedynie w płytkach o module W=l,5+2,5 i częściowo w płytkach o module W=4,5. Można z powyższego wnosić, że dodatek molibdenu sprzyja tej po~1aci wydzieleń węglikowych; podobnie wpływa mniejsza prędkość krzepnięcia. Wyniki rentgenowskiej analizy fazowej wskazują, że omawiany kształt mają wydzielenia węglika t)ipu MnC6. W oparciu o przeprowadzone badania można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że w badanym zakresie prędkości krzepnięcia i wielkości dodatku molibdenu ( do 3,5%) nie tworzy on osobnego typu węglika. Występuje natomiast w

54 roztworze stałym. w fenycie chromowym i w węglikach typu M~3 i M 23 C 6. Z danych zestawionych w tab. 2 wynika, że wraz ze zwiększeniem dodatku molibdenu do żeliwa zwiększa się jego stężenie, zarówno w fenycie jak i w węglikach. Natomiast wraz ze zwiększeniem prędkości krzepnięcia stężenie molibdenu w obydwu fazach zmniejsza się. Inne kierunki zmian wystepują w przypadku chromu, a mianowicie jego stężenie w fenycie zmniejsza się wraz ze zwiększeniem zawartości molibdenu w żeliwie i zwiększa się wraz ze zwiększeniem prędkości krzepnięcia. Wynikiem wskazanych wyżej różnic w mikrostrukturze są różnice właściwości. Przykładowo na rys. 6 przedstawiono zmianę twardości odlewów płytek w zależności od zawartości molibdemu i wartości modułu W. 320 310 m I 300 -o 290 -CI) o "E 280 ~ 270 280 ~. 1 -o-.2-6-.3 250 o 2 3 4 5. ModułW 6 7 8 Rys. 6.Wpływ grubości ścianki odlewów płytek na twardość żeliwa : l- żeliwo l, O o/oc + 1,00/o Mo; 2- żeliwo 1,00/oC + 2,2%Mo; 3- żeliwo 1,00/oC + 3,5%Mo Zmiany mikrostruktury odlewów w wysokiej temperaturze Wyżarzanie odlewów w wysokiej temperaturze prowadzi do fragmentacji długich, iglastych wydzieleń węglikowych (w żeliwie bez dodatku molibdenu), zaokrąglania się ostrych naroży wydzieleń i rozpuszczania się drobnych \vydzieleń. Ponadto wewnątrz pól fenytu wydzielają się węgliki wtórne, które z wydłużeniem czasu wyżarzania pogrubiają się. Przykładowo, na rys. 7 pokazano mikrostrukturę żeliwa zawierającego 3,5% Mo po wyżarzaniu w temperaturze 1050 C przez 45 godz. (mikrostrukturę tego żeliwa przed wyżarzaniem pokazano na rys. 4). W wyniku wyżarzania następuje również przemiana węglika typu M 7 C 3 w węglik typu MnC6. na co wskazują wyniki rentgenowskiej analizy fazowej (tab.3).. Przemiana ta w zastosowanych warunkach wyżarzania nie zawsze zachodzi do końca. Żmienia się również stężenie pierwiastków w fenycie chromowym. Pokazują to dane zamieszczone w tab.4, uzyskane w wyniku mikroanalizy rentgenowskiej.

Tabela 3 Skład fazowy żeliwa w odlewach płytek o różnym module W po wyżarzaniu w temperaturze 1050 C przez 45 godz. L. p. Żeliwo Skład fazowv W=l,5 W=4,5 l 1,00/oC Fenyt+ Fenyt + 300/oCr (Fe,Cr)23C6 (Fe,CrbC6 1,00/oC Fenyt Fenyt + 2 300/oCr + (Fe,Cr,Mo)nC6 + 3,5o/oMo (Fe,Cr,Mo)n~ (Fe,Cr,Mo)?C 3 SS Tabela 4 Stężenie chromu i molibdenu w ferrycie żeliwa w odlewach płytek o różnym module W po wyżarzaniu w temperaturze I050 C. w= 1,5 w =4,5 Żeliwo Przed wyż. Po wyż. Przed wyż. Po wyż. Cr,% Mo,% Cr,% Mo,% Cr,% Mo,% Cr,% l,o%c 22,8-18,1-24,3-22,7 300/oCr 1,00/oC 300/oCr 25,1 2,3 24,9. 1,7 27,5 2,1 25,5 3,5%Mo Mo,% - 1,6 Rys.7 Mikrostruktura żeliwa z dodatkiem 3,5% Mo w płytce o module W= 1,5 po wyżarzaniu ( 1050 C /45 godz.). Pow. x 300.

56 Pods...-waaie Wyniki badań mo:ma podsumować następująco: / - W żeliwie wysokochromowym zawierającym ok 300~ Cr i ok. l% C molibden dodawany w ilości 1+3,5 % występuje w roztworze stałym (fenycie chromowym) oraz w węglikach złożonych typu (Fe,Cr,Mo )234 i (Fe,Cr,Mo ),C3. - Mi1aostruktuia badanego żeliwa wysokochromowo-molibdenowego jest wrażliwa na grubość ścianki odlewu. W struktmze uzyskanej przy większych prędkościach krzepnięcia mmiejsza się udział dend.tytycmych wydzieleń fenytu i ich wielkość; zwiększa się również dyspersja węglików w eutektyce. W zakresie grubości ścianek od 20 do 7 mm analizowanych odlewów płytek zmiany te są duże~ a przy mniejszych grubościach ( od 7 do 3 mm) niewielkie. - Występowaniu trwałego węglika typu M234 w strukturze badanego żeliwa sprzyja mniejsza szybkość krzepnięcia odlewów oraz dodatek molibdenu. Przy większych prędkościach krzepnięcia będzie się tworzył węglik typu M,C 3. Możliwe jest również występowanie jednocześnie obydwu typów węglika. - Stwierdzone w badanych odlewach próbnych różnice w składzie fazowym i morfologii składników struktury wskazują na możliwość wystąpienia, istotnej dla właściwości żeliwa, niejednorodności strukuralnej w skomplikowanch odlewach o zróżnicowanej grubości ścianek. - Podstawowe procesy zachodzące w mikrostruktul7.e badanego żeliwa podczas izotermiemego wyżarzania odlewów to: przemiana węglika typu M,C 3 w węglik typu M234. koagulacja wydzieleń węglikowych i wydzielanie węglików wtórnych ( widocme w środkowych częściach pól ferrytu ) ; mńenia się również stężenie pierwiastków ( Cr,Mo ) w ferrycie oraz w wydzieleniach węglikowych. Literatura [l] Kosowski A., Lebt.'ł R., Rabczak A., Staszczak L., Styrlcosz J.- High Chromiurn Molibdenurn Cast Iron Castings Working in Chloride Solutions.l Symp..,Corosionn Resitant -Alloys". Kraków 1988. [2] Kosowski A, Staszczak L., Styrkosz J. - Struktura i właściwości podeutektycmego żeliwa wysokochromowego z dodatkiem molibdenu.' V Symp..,Przemiany Strukturalne w Stopach Odlewniczych". Komisja Metalurgiczna PAN w Krakowie i WSP w Rzeszowie. Rzeszów 1993, s.11-19., [3] Kosowski A, Rabczak A, Staszczak L., Styrkosz J. - Wpływ tytanu, aluminium i molibdenu, wprowadzanych w małych ilościach, na strukturę i jej zwartość w odlewach z żeliwa wysokochromowego. IX Symp. Naukowe Dnia Odlewnika. Kraków 1983, s.41-48. [4] Kosowski A., Staszczak L., Styrkosz J., Tyrała E.- Raport z pracy n-b: Trwałość mikrostroktuty żeliwa wysokochromowego w wysokiej temperatur.z.e. AGH Wydział Odlewnictwa, umowa nr 11.170.155. Kraków 1995-1997. Praca finansowana przez KBN.