43/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA ŻELIWA SFEROIDALNEGO T. SZYKOWNY 1, K.CIECHACKI 2 Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy ul. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE Niskomiedziowe żeliwo sferoidalne austenityzowano w temperaturze 920 C, następnie poddawano wysokotemperaturowej obróbce cieplno-plastycznej (WOCP), polegającej na walcowaniu ze zgniotem 25% bezpośrednio po austenityzacji i wychładzaniu izotermicznym w temperaturze 370 C. Niskotemperaturowa obróbka cieplnoplastyczna (NOCP) polegała na austenityzacji w temperaturze 920 C, podchłodzeniu żeliwa do temperatury 370 C, walcowaniu ze zgniotem 25% oraz wychładzaniu izotermicznym w temperaturze 370 C. Badania przeprowadzono na próbkach płaskich do rozciągania o grubości 4 mm. Określono wytrzymałość na rozciąganie R m, umowną granicę plastyczności R p0,2, wydłużenie A oraz twardość HRC. Przeprowadzono badania mikrostruktury oraz badania fraktograficzne przy użyciu SEM. Key words: spheroidal cast iron, thermo-mechanical treatment 1. WSTĘP Obróbkę cieplno-plastyczną (OCP) stosuje się dla stali od początku lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Skutkuje ona podwyższeniem własności wytrzymałościowych przy niewielkim spadku plastyczności (niskotemperaturowa obróbka cieplnoplastyczna, NOCP), lub mniejszą poprawą wytrzymałości bez obniżenia plastyczności (wysokotemperaturowa obróbka cieplno-plastyczna, WOCP). W praktyce stosuje się 1 dr inż., tadeusz.szykowny@atr.bydgoszcz.pl 2 dr inż., krzysztof.ciechacki@atr.bydgoszcz.pl 341
wiele rodzajów OCP dla stali, stopów aluminium, tytanu lub niklu pozwalających uzyskać korzystny zespół własności [1]. Obecnie można zauważyć zainteresowanie OCP żeliwa sferoidalnego poddawanego obróbce izotermicznej żeliwa AADI [2,3]. Autorzy pracy [3] otrzymali poprzez walcowanie i hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego stopowego wzrost wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności jak i wydłużenia względem żeliwa ADI. W niniejszej pracy podjęto próbę otrzymania żeliwa AADI poprzez nisko lub wysokotemperaturową obróbkę cieplno-plastyczną. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto żeliwo sferoidalne niskomiedziowe o składzie chemicznym p o- danym w tabeli 1. Wartości Sc i K G określono na podstawie wzorów N.G. Giršoviča [4]. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa, % mas Table 1. The chemical composition of cast iron, % mass Składnik C Si Mn P S Cr Cu Ti Mg Sc K G %, mas. 3,76 3,07 0,35 0,07 0,04 0,04 0,48 0,024 0,06 1,13 9,88 Żeliwo posiada strukturę perlityczno-ferrytyczną (ok. 10% ferrytu) i kwalifikuje się do gatunku EN-GJS-600-03. Żeliwo wytopiono w piecu indukcyjnym tyglowym sieciowej częstotliwości. Sferoidyzację przeprowadzono zaprawą MgCuCe (0,6%), a modyfikację żelazokrzemem FeSi75. Odlano próbki YII w formach wilgotnych. Z prostopadłościennych części klina YII pobrano próbki płaskie do rozciągania o grubości 4 mm, szerokości części pomiarowej 10 mm i długości części pomiarowej 70mm. Próbki poddano obróbce zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.1. a) b) c) Rys. 1. Schemat obróbki żeliwa sferoidalnego: a) wysokotemperaturowa obróbka cieplnoplastyczna, b) niskotemperaturowa obróbka cieplno-plastyczna, c) izotermiczna obróbka cieplna Fig. 1. The diagram of thermal processing of ductile cast iron: a) high-temperature thermomechanical treatment, b) ausforming, c) isotherm thermal treatment 342
ARCHIWUM ODLEWNICTWA W obróbce izotermicznej żeliwa sferoidalnego prędkość podchładzania z temperatury austenityzacji do temperatury przemiany izotermicznej musi być wystarczająco duża, aby zapobiec przemianie eutektoidalnej. Ważna jest znajomość czasu wychładzania do rozpoczęcia przemiany izotermicznej. W tym czasie bowiem powinna być przeprowadzona obróbka plastyczna (NOCP). Dla określenia w/w parametrów przeprowadzono wstępne badania polegające na austenityzowaniu w temperaturze 920 C i podchładzaniu w kąpieli solnej płytki żeliwnej o grubości 10mm oraz pręta kwadratowego o przekroju 20x20 mm, a następnie izotermicznym wychładzaniu w temperaturze 370 C. Kinetykę przemiany izotermicznej prześledzono na serii próbek o grubości 3mm wychładzanych w temperaturze 370 C i oziębianych w odstępach 1,5 min. Wychładzanie izotermiczne przeprowadzono w soli SO140. 3. WYNIKI BADAŃ Na przekroju płytki żeliwnej jak i pręta kwadratowego otrzymano strukturę ausferrytyczną bez śladów produktów przemiany eutektoidalnej. Twardość na przekroju próbek jest jednorodna i wynosi około 37 HRC. Zmiany struktury i twardości żeliwa w zależności od czasu wychładzania izotermicznego przedstawia rysunek 2. Twardość wykazuje liniowy spadek w zależności od czasu wychładzania. Czas wychładzania do 4,5 min. wywołu je około 10% zaawansowanie przemiany. Według autorów [3] jest to czas, do upływu którego można przeprowadzać jeszcze obróbkę plastyczną. Mikrotwardość fazy białej (martenzyt) jak i struktury iglastej (ausferryt) wykazuje spadek wraz z upływem czasu wychładzania izotermicznego (rys.2). Wysokotemperaturowa obróbka cieplno-plastyczna wywołuje niewielki wzrost wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności oraz twardości względem żeliwa niepoddanego obróbce plastycznej (rys.3). Obserwacje mikroskopowe ujawniły, iż w powierzchniowej warstwie żeliwa poddanego WOCP występuje ścisły perlit obok ausferrytu (rys.4). Hartowność przyjętego żeliwa jest niewystarczająca. Do WOCP należy sięgnąć po żeliwo stopowe o większej hartowności. Stosunkowo mały efekt WOCP w rozpatrywanym przypadku należy niewątpliwie łączyć z otrzymaną strukturą. Niskotemperaturowa obróbka cieplno-plastyczna prowadzi do wzrostu wskaźników wytrzymałościowych (Rm=1250 MPa, Rp 0,2 =1080 MPa) i twardości (43 HRC). Plastyczność jest w tym przypadku jednak niższa. Wydłużenie względne wynosi 2,3%. NOCP wpływa na morfologię ausferrytu (rys.5), widoczne jest zorientowanie wiązek jak i zmniejszenie odległości pomiędzy listwami ausferrytu. Przełom żeliwa niezależnie od wykonanej obróbki posiada cechy mieszane tj. ciągliwego z elementami transkrystalicznego łupliwego. 343
344 Rys.2. Twardość i struktura żeliwa w zależności od czasu izotermicznego wychładzania w temperaturze 370 C, pow. mikr. 500x Fig.2. Hardness and cast iron structure in depending on isothermal cooling in the temperature of 370 C, magn. 500x
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 3. Własności mechaniczne żeliwa w zależności od rodzaju obróbki Fig. 3. Mechanical cast iron properties in depending on treament kind a) b) Rys. 4. Mikrostruktura żeliwa poddanego WOCP, pow. mikr. 250x: a) powierzchnia; b) środek próbki Fig. 4. Cast iron microstructure subjected to high-temperature thermo-mechanical treatment, magn. 250x: a) surface, b) centre of sample 345
WOCP a) b) NOCP a) b) 346
ARCHIWUM ODLEWNICTWA OC a) b) Rys. 5. Mikrostruktury (a) i przełomy (b) w zależności od rodzaju obróbki żeliwa Fig. 5. Microstructures (a) and turnings (b) in depending on the cast iron treatment kind 4. PODSUMOWANIE Obróbka cieplno-plastyczna żeliwa jest efektywnym sposobem podwyższania jego własności wytrzymałościowych. Dotyczy to w szczególności niskotemperaturowej obróbki cieplno-plastycznej. Uzyskany poziom własności mechanicznych przekracza wymagane przez ASTM minimum dla żeliwa ADI. Stosunkowo niewielki wzrost własności w przypadku wysokotemperaturowej obróbki cieplno-plastycznej wynika z zachodzenia podczas walcowania częściowo przemiany eutektoidalnej. Do WOCP należy przyjąć żeliwo stopowe o większej hartowności. 347
LITERATURA [1] I.I.Novikov: Teoria termičeskoj obrobotki metallov, Moskva, Metalurgia, 1978. [2] E.Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane zagadnienia, Archiwum Odlewnictwa, PAN, Katowice, Monografia, nr 1M, 2001. [3] S.M. Dettloff i in.: Ausforming austempered ductile iron, International Scientific Conference, ADI Foundry s Offer for Designers and Users of Castings, Foundry Research Institute, Kraków, s II/1-8, 2002. [4] N.G. Giršovič: Sprawočnik po čugunnuju litju. Leningrad, Izd. Mašinostroenie, 1978. THERMO-MECHANICAL TREATMENT OF SPHEROIDAL CAST IRON SUMMARY The low copper spheroidal cast iron was austenized in the temperature of 920 C, then was subjected to high-temperature thermo-mechanical treatment consisting of rolling with cold work 25% and directly subjected to austenization and isothermal cooling down in the temperature of 370 C. The low-temperature thermal and plastic working austenized in the temperature of 920 C lies in the cast iron cooling to temperature of 370 C, rolling with cold work 25% and isothermal cooling in the temperature of 370 C. Research was done on flat samples for stretching of the thickness 4mm. The tensile strength R m, yield point R p0,2, elongation A and hardness HRC was defined. Research of microstructure and fractographical one with SEM use was done. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik 348