ROLA CZASU AUSTENITYZACJI W IZOTERMICZNEJ PRZEMIANIE EUTEKTOIDALNEJ ŻELIWA SFEROIDALNEGO

45/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 ROLA CZASU AUSTENITYZACJI W IZOTERMICZNEJ PRZEMIANIE EUTEKTOIDALNEJ ŻELIWA SFEROIDALNEGO T.SZYKOWNY 1, J.SADOWSKI 2 Akademia Techniczno-Rolnicza Wydział Mechaniczny, ul. Kaliskiego 7 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE Dwa gatunki niestopowego żeliwa sferoidalnego austenityzowano w temperaturze 960 o C w czasie 0,5, 2 lub 6 godzin, po czym wychładzano izotermicznie w temperaturze 820 lub 760 o C w czasie do 6 godzin. Na podstawie badań metalograficznych i mikroanalizy rentgenowskiej określono wpływ czasu austenityzacji na mechanizm i kinetykę przemiany Ar 1. Key words: ductile cast iron, eutectoid transformation, austenizing time 1. WSTĘP W trakcie austenityzowania żeliwa w stałej temperaturze nadkrytycznej zach o- dzi nasycenie osnowy węglem z wydzieleń grafitowych, ostateczne rozpuszczenie cementytu eutektoidalnego, wtórnego lub ledeburytycznego, rozrost ziaren austenitu, ujednorodnienie chemiczne osnowy, tworzenie porowatości dyfuzyjnej [1, 2,3,4]. Procesy te przebiegają na ogół równocześnie. Stan fizykochemiczny żeliwa jest zatem w wyjątkowo złożony sposób zależny od czasu austenityzowania. Będzie on wpływał na heterogeniczne zarodkowanie i wzrost poszczególnych faz podczas przemiany eute k- toidalnej. Czas austenityzacji żeliwa, zarówno w badaniach doświadczalnych jak i praktyce przemysłowej zawiera się w szerokich granicach, przy czym minimalna jego wartość wynosi ok.0,5h [1,4,5,6]. Wybór określonej wartości czasu austenityzacji, o ile jest w ogóle uzasadniany, to najczęściej potrzebą, osiągnięcia g ranicznego nasycenia auste- 1 Dr inż.,tadeusz.szykowny@atr.bydgoszcz.pl 2 Dr inż., jansad@atr.bydgoszcz.pl 355

nitu węglem, rozłożenia cementytu lub ujednorodnienia chemicznego osnowy. Czas austenityzacji zapewniający graniczne nasycenie austenitu węglem zależy od składu chemicznego i strukturalnego osnowy, temperatury austenityzacji, postaci i dyspersji grafitu [1, 2, 3, 4, 6]. Bezpośrednim celem niniejszej pracy jest ocena wpływu czasu austenityzowania żeliwa na kinetykę przemiany eutektoidalnej Ar 1, rodzaj i ilość otrzymywanych w jej wyniku struktur. Powyższy cel postanowiono zrealizować w oparciu o badania metalograficzne próbek wychładzanych izotermicznie w temperaturze bliskiej Ar 11 lub Ar 12. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto dwa, znacznie różniące się skłonnością do grafityzacji po d- czas przemiany eutektoidalnej, gatunki żeliwa: EN-GJS-400-15 (żeliwo 1) i EN-GJS- 600-03 (żeliwo 2) scharakteryzowane w tabeli 1. Tabela 1. Charakterystyka żeliwa Table 1. Properties of iron cast Nr Skład chemiczny, % mas. Struktura żel. Osnowa, % obj. Grafit C Si Mn P S Mg Sc ferryt perlit cement. % obj. l.wydz mm 2 1 3,82 3,41 0,19 0,057 0,020 0,05 1,20 86,7 13,2 0,1 12,0 94 2 3,53 2,81 1,17 0,110 0,015 0,08 1,04 14,1 85,5 0,4 9,7 107 Z próbek YII pobrano krążki 20x3mm, które poddano obróbce cieplnej według schematu przedstawionego na rys.1. 356 Rys.1. Schemat obróbki cieplnej żeliwa Fig.1. Scheme of heat treament of the ductile iron

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Komplet 6 próbek austenityzowano w piecu wysokotemperaturowym dylat o- metru izotermicznego w czasie 0,5, 2 lub 6h, po czym przemieszczano do pieca niskotemperaturowego. W zadanych odstępach czasu oziębiano w wodzie po jednej próbce. Pomiar temperatury odbywał się przy pomocy termoelementu Ni-NiCr zgrzanego pojemnościowo z próbką, którą oziębiano na końcu. Na wszystkich próbkach wykonano ilościową analizę metalograficzną metodą siatki punktów. Na wybranych próbkach metodą rentgenowskiej mikroanalizy liniowej oceniono mikrosegregację krzemu i ma n- ganu. 3. WYNIKI BADAŃ WRAZ Z ICH ANALIZĄ Przemiana eutektoidalna w żeliwie 1 austenityzowanym przez 0,5h i wychładzanym w temperaturze 820 o C rozpoczyna się od wykrystalizowania perlitu w obszarach granicznych ziarn eutektycznych (rys.2a). Perlit ten jest nietrwały i z biegiem czasu wychładzania cementyt eutektoidalny sferoidyzuje i rozpuszcza się, a ferryt będący jego składową przemienia się w austenit. Po upływie 16 minut miejsca zajęte uprzednio przez perlit zajmują skupiska ziaren cementytu na tle austenitu (rys.2b). Przemiana eutektoidalna wg układu stabilnego rozpoczyna się gdy przemiana perlitu w mieszaninę austenitu i cementytu zakończyła się. Ferryt krystalizuje bądź w kontakcie z grafitem bądź tworzy siatkę złożoną z odrębnych ziaren. a) b) Rys.2. Struktura żeliwa 1 po obróbce cieplnej, T w =820 o C, A =0,5h, po czasie wychładzania izotermicznego a) 240s, b) 960s, pow.1000x traw. nital Fig.2. The structure of cast iron 1 after heat treatment T w =820 o C, A =0,5h, after following time of isothermal cooling a) 240s, b) 960s, mult.1000x, natal etched Kolejność tworzenia się poszczególnych produktów przemiany eutektoidalnej, ich morfologia w żeliwie austenityzowanym przez 2h jest taka sama jak w przypadku żeliwa austenityzowanego w czasie 0,5h z tym, że perlit rozpoczyna krystalizować dopiero po upływie 16 minut. Sześciogodzinny czas austenityzacji zmienia obraz przemiany eutektoidalnej. Nie obserwuje się w tym przypadku początkowej przemiany perlitycznej. Pierwszym produktem przemiany jest ferryt występujący po 1h wychła- 357

dzania w postaci drobnych wielokątnych ziaren nie mających najczęściej granicy z grafitem. Dalszy postęp przemiany prowadzi do uformowania nieciągłej siatki ferrytu. Przemianę eutektoidalną w żeliwie 2 austenityzowanym przez 0,5h i wychładzanym w temperaturze 820 o C poprzedza wydzielanie cementytu wtórnego w postaci siatkowej. Po upływie 4 minut wykrystalizowuje perlit mający najczęściej granicę z siatką cementytową. Wychładzanie w czasie 16 minut prowadzi do przemiany ferrytu eutektoidalnego w austenit. Tworzą się skupiska sferoidów cementytu na tle austenitu. Po upływie 2 godzin wychładzania obserwuje się ferryt w postaci pojedynczych ziaren, przeważnie nie mających granicy z grafitem. W żeliwie 2 austenityzowanym 2h, przemianę eutektoidalną poprzedza również wydzielanie cementytu wtórnego w postaci siatki, jest ona jednak słabiej ukształtowana. Również ilość tworzącego się kolejno perlitu jest mniejsza. Pod względem jakościowym dalsza ewolucja struktury zachodzi analogicznie jak w przypadku austenityzowania w czasie 0,5h. W żeliwie 2 austenit y- zowanym w czasie 6h wykrystalizowuje na początku szczątkowa siatka cementytu i mała ilości perlitu. Należy stwierdzić, że przemiana eutektoidalna, niezależnie od gatunku żeliwa i czasu austenityzacji rozpoczyna się (wyjąwszy żeliwo 1 austenityzowane 6h) w te m- peraturze bliskiej Ar 11, od krystalizacji struktur metastabilnych tzn. cementytu wtórnego i perlitu. W żeliwie 1 wychładzanym w temperaturze 760 o C po austenityzacji w czasie 0,5h lub 2h, przemiana eutektoidalna rozpoczyna się od jednoczesnej krystalizacji perlitu i ferrytu. Przewaga ilościowa perlitu zachowuje się w żeliwie austenityzowanym 0,5h do 480 sekundy, natomiast w austenityzowanym 2h do 120 sekundy. Austenityzacja w czasie 6h powoduje opóźnienie początku przemiany eutektoidalnej, która również rozpoczyna się równocześnie według układu stabilnego i metastabilnego, przy czym w całym przedziale czasu wychładzania ilościową przewagę ma ferryt (rys.4a). W żeliwie 2 wychładzanym w temperaturze 760 o C przemiana eutektoidalna niezależnie od czasu austenityzacji rozpoczyna się od krystalizacji p erlitu (rys.3a). Ferryt w postaci otoczek krystalizuje tym później i w mniejszej na ogół ilości, im dłuższy był czas austenityzacji (rys. 3b). Przemiana eutektoidalna zachodzi do końca tylko w żeliwie austenityzowanym przez 0,5h.. Na podstawie ilościowej analizy metalograficznej sporządzono tabelę zależności zawartości ferrytu F, perlitu P, od czasu wychładzania w temperaturze bliskiej Ar 11 (820 o C) i Ar 12 (760 o C) dla obu gatunków żeliwa (tabela 2). Zmiany zawartości ferrytu i perlitu podczas izotermicznego wychładzania żeliwa 1 i 2 przedstawiono na rys.4. 358

ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 3. Struktura żeliwa 2 po obróbce cieplnej, T w 760 o C, A =0,5h, po czasie wychładzania izotermicznego a) 120s, b) 480s, pow.500x, traw. nital. Fig.3. The structure of cast iron 2 after heat treament, T w =760 o C, A =0,5h, after following time of isothermal cooling a) 120s, b) 480s, mult.500x natal etched a) b) Rys.4. Zmiany zawartości ferrytu (F), perlitu (P) w zależności od czasu wychładzania w temperaturze 760 o C a) żeliwo 1, b) żeliwo 2 Fig.4. The influence of austenizing time on the ferrite (F) and pearlite (P) content at a process temperature of 760 o C a) cast iron 1, b) cast iron 359

Tabela 2. Wyniki analizy metalograficznej żeliwa wychładzanego w obszarze przemiany Ar 1 Table 2. Structural composition of cast iron being in the cooling process in the Ar 1 region Temp. wychładz. C Żeliw. Czas austenit. h Czas wychładzania, s 30 240 960 3600 7200 21600 0,5 P(0,8) 1) F(śl.), C k F(2,7) 2) 4), C k F(10,9) F(26,3) 1 2 P(0,2) F(0,5), C k F(4,6) F(13,1) 820 6 F(0,2) F(2,3) F(8,3) 0,5 3) P(0,4), C s P(1,8), C s C k C k F(0,2) F(0,4) 2 2 P(1,0), C s C k C k F(0,1) F(0,6) 6 P(0,4), C s C k C k F90,1) F(0,6) Czas wychładzania, s 30 120 480 1920 7200 21600 0,5 P(1,4), F(0,3) P(14,2)F(10,7) P(58,8),F(29,7) F(84,2),P(13,8) F(96,7),P(3,3) F(98,7),P(1,3) 760 1 2 P(0,4), F(0,1) P(16,2), F(7,2) F(57,0),P(32,1) F(88,5),P(8,4) F(95,7),P(3,5) F(98,1)P(1,9) 6 F(9,3), P(0,8) F(43,5),P(10,5) F(87,9),P(6,3) F(97,5),P(2,0) F(98,8),P(1,2) 0,5 P(0,2) P(18,0), F(0,2) P(75,0),F(1,1) P(82,1),F(7,7) P(51,5),F(44,4) F(83,3),P(15,7) 2 2 P(0,2) P(7,1) P(27,9),F(1,2) P(49,4),F(11,0) F(38,2),P(23,3) F(80,1),P(13,0) 6 P(0,4) P(4,0) P(13,1),F(0,7) P(33,8),F(6,4) F(40,6),P(24,2) F(77,7),(98,3) 1) P perlit, 2) F ferryt, w nawiasie podano zawartość w procentach objętościowych 3) C s cementyt siatkowy, 4) C k cementyt kulkowy, stwierdzono obecność, nie określano ilościowo 360

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na próbkach żeliwa 2 wychładzanych w temperaturze 820 O C przez 16 minut przeprowadzono liniową mikroanalizę rentgenowską. Określono stężenie Mn, Si i P wzdłuż linii łączącej centra ziarn eutektycznych poprzez martenzytyczną osnowę. Wyniki mikroanalizy przedstawia tabela 3. Tab.3. Wyniki liniowej mikroanalizy rentgenowskiej Tab.3. The results of X-ray microanalysis Czas austenityzacji, h Analizowany pierwiastek Zawartość pierwiastka, % Wskaźnik mikrosegregacji J C Przy graficie Na granicy Si 2,4 0,9 0,37 0,5 Mn 0,8 5,1 6,40 P 0 0,48 -- Si 2,9 1,8 0,62 2 Mn 1,1 2,4 2,18 P 0,05 0,17 -- Si 3,2 2,5 0,78 6 Mn 0,9 1,3 1,44 P 0 0,18 -- 4. PODSUMOWANIE Czas austenityzacji żeliwa wpływa na kinetykę przemiany eutektoidalnej, rodzaj i ilość produktów tworzących się w jej trakcie. Przemiana eutektoidalna w żeliwie o większej skłonności do grafityzacji (żeliwo 1) austenityzowanym w czasie 0,5 lub 2h rozpoczyna się w temperaturze bliskiej Ar 11 (820 o C) od krystalizacji perlitu. Przedłużenie czasu austenityzacji do 6h zasadniczo zmienia obraz przemiany, która rozpoczyna się i zachodzi wyłącznie w układzie stabilnym (A F+G) Przemiana eutektoidalna w żeliwie o mniejszej skłonności do grafityzacji (żeliwo 2 ) niezależnie od czasu aust e- nityzacji, rozpoczyna się w temperaturze 820 O C od krystalizacji przedeutektoidalnej cementytu i perlitu. Zarówno w żeliwie 1 jak i 2 pierwotnie wykrystalizowany perlit jest nietrwały i w trakcie wychładzania ferryt będący jego składową przemienia się w aust e- nit. Przemiana ta była opisana w pracy [7]. Wzrost czasu austenityzacji opóźnia przemianę eutektoidalną. Przemianę eutektoidalną w temperaturze bliskiej Ar 12 (760 o C) rozpoczyna w żeliwie 1 krystalizacja perlitu i ferrytu, a w żeliwie 2 wyłącznie perlitu, niezależnie od czasu austenityzacji. Wzrost czasu austenityzacji wydłuża czas potrzebny do zajścia określonego stopnia przemiany perlitycznej oraz skraca czas rozpadu cementytu eute k- toidalnego. Znamienny jest wpływ czasu austenityzacji na maksymalną zawartość perlitu otrzymywaną w trakcie przemiany. Maksymalna zawartość perlitu w żeliwie 1 maleje sukcesywnie ze wzrostem czasu austenityzacji, od 58,8% do 10,5% natomiast w żeliwie 2, od 82,1% do 33,8%. Większy udział przemiany perlitycznej, większa trwa- 361

łość cementytu w żeliwie 2 wynika bezpośrednio z mniejszej skłonności do grafityzacji tego żeliwa. Przemiana eutektoidalna w żeliwie 2 w temperaturze 760 o C nie zachodzi do końca. Najwięcej nieprzemienionego austenitu pozostaje w żeliwie austenityzowanym w czasie 2 lub 6h. Należy przyjąć, iż przedstawione wyżej zależności od czasu austenityzacji mają swoją główną przyczynę w postępującym podczas austenityzacji ujednorodnieniu ch e- micznemu i strukturalnemu. Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej wskazują na zmniejszenie mikroniejednorodności chemicznej wraz z czasem austenityzacji. Ograniczenie występowania takich miejsc w osnowie jak nierozpuszczone węgliki, segregację utrudnia heterogeniczne zarodkowanie przemiany eutektoidalnej. LITERATURA [1] K.P. Bunin, J.N.Taran: Stroenie čuguna. Izd.Metallurgia, Moskwa 1972. [2] K. Ogi, i in.:giesserie-praxis, nr 6, s. 73, 1989. [3] A. Ikhlef, i in.: Hommes et Fondries, Nr 1, s. 9, 1982. [4] H. Oleszycki : Rozprawy nr 7, ATR Bydgoszcz, 1982. [5] J.M. Schissler i in.: Hommes et Fondries, nr 8-9, s. 9, 1989. [6] T. Szykowny, J.Sadowski.: I Krajowa Konferencja Inżynieria Materiałowa, Materiały, s. 59, Gdańsk, 1996. [7] T. Szykowny: Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, nr 17, s. 303, 2005. THE ROLE OF AUSTENIZING TIME IN ISOTHERMAL EUTECTOID PRO- CESS OF SPHEROIDAL CAST IRON SUMMARY Two kinds of plain spheroidal cast iron were in the austenizing process at a temperature of 960 0 C for 0.5, 2.0, or 6.0 hours, and then were in the isothermal cooling process at a temperature of 820 or 760 0 C for 6.0 hours. On the basis of a metallographic examination and an X-ray microanalysis the influence of austenizing time on the mechanism and kinetics of the Ar 1 process was determined. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik 362