14/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA ŻELIWA Z GRAFITEM KULKOWYM PO DWUSTOPNIOWYM HARTOWANIU IZOTERMICZNYM Część II M. KACZOROWSKI 1), A. KRZYŃSKA 2) Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych Politechnika Warszawska ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań strukturalnych żeliwa hartowanego izotermicznie w złożu fluidalnym jedno- i dwustopniowo oraz badań uzupełniających własności mechanicznych i struktury żeliwa hartowanego dwustopniowo w stopionej cynie i oleju. Analiza pierwszych umożliwiła wyjaśnienie przyczyn niepowodzenia dwustopniowego hartowania izotermicznego w złożu fluidalnym. Wyniki badań żeliwa hartowanego dwustopniowo w ciekłej cynie i oleju potwierdziły przewidywania odnośnie do możliwości oddziaływania na własności plastyczne żeliwa ADI na drodze dwustopniowego hartowania izotermicznego 1. WPROWADZENIE Przedmiotem tej pracy są wyniki obserwacji metalograficznych próbek z żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie jedno- i dwustopniowo, których własności mechaniczne oraz część wyników badań mikroskopowych zamieszczono w części I opracowania. Ponadto, w punkcie zatytułowanym Badania uzupełniające, przedstawiono wyniki badań własności wytrzymałościowych fragmentów próbek hartowanych izotermicznie dwustopniowo w stopionej cynie i gorącym oleju. Powodem są nieoczekiwane i trudne do interpretacji wyniki badań otrzymane podczas hartowania w złożu fluidalnym 1) Prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski - prof. zw., e-mail: m.kaczorowski @ wip.pw.edu.pl 2) Dr inż. Anna Krzyńska adiunkt e-mail: a.krzynska @wip.pw.edu.pl 131
2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badania dotyczą materiału opisanego szczegółowo w punkcie 2 części I pracy oraz próbek wyciętych z części chwytowej próbek wytrzymałościowych, uprzednio wykorzystanych do wyznaczenia własności mechanicznych żeliwa sferoidalnego hartowanego w złożu fluidalnym. W przeciwieństwie do poprzednich, próbki wycięte z części chwytowej były dwustopniowo hartowane izotermicznie dokładnie przy zachowaniu tych samych parametrów obróbki cieplnej, lecz nie w złożu fluidalnym, ale w stopionej cynie (T 1 = 350 o C) oraz gorącym oleju (T 2 =275 o C). Część materiału po obróbce cieplnej została poddana badaniom twardości metodą Brinella, zaś z pozostałych fragmentów wycięto mini - próbki przeznaczone do badań na maszynie wytrzymałościowej o długości l = 55mm i średnicy w części pomiarowej d = 3mm. Z ich pomocą wyznaczono wytrzymałość na rozciąganie R m i mowną granicę plastyczności R 0.2. Ze względu na zbyt małą długość części pomiarowej próbek nie udało się wyznaczyć wydłużenia A 5. Obok badań własności mechanicznych, wykonano obserwacje mikroskopowe żeliwa sferoidalnego po jedno- i dwustopniowym hartowaniu izotermicznym zarówno w złożu fluidalnym jak i w stopionej cynie oraz oleju. Badania metalograficzne przeprowadzono na zgładach sporządzonych w płaszczyźnie prostopadłej do osi próbek wytrzymałościowych. Próbki do badań mikrostruktury żeliwa hartowanego izotermicznie w złożu fluidalnym zostały wycięte z części chwytowej i dodatkowo z części pomiarowej tych próbek. Badania metalograficzne żeliwa hartowanego dwustopniowo w stopionej cynie i oleju przeprowadzono na próbkach wyciętych z części chwytowej mini-próbek, których średnica wynosiła 8mm. Badania strukturalne przeprowadzono na mikroskopie metalograficznym OLYMPYUS IX-70, przy powiększeniu od 100 do 1500 razy. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Wyniki badań żeliwa hartowanego w złożu fluidalnym Na rys.1. zamieszczono zdjęcia mikrostruktury żeliwa po jednostopniowym hartowaniu w temperaturze 275 o C. Na pierwszym (rys.1a) widać charakterystyczną osnowę ausferrytyczną z niewielką ilością martenzytu. 132
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a b c Rys.1. Mikrostruktura żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 275 o C przez czas: a 60 minut, b 120 minut i c 180 minut (x 1500) Fig.1. The microstructure of ductile iron after: a 60, b 120 and c 180 minutes austempering at the temperature 275 o C (magnification x1500) Wydłużenie czasu hartowania izotermicznego powoduje zanik martenzytu i stopniową zmianę morfologii ausferrytu, w kierunku pogrubienia mikrostruktury osnowy metalowej (rys.1 b i c). Obok ausferrytu, w niektórych fragmentach można stwierdzić obecność ciemnych obszarów, które najprawdopodobniej są polami perlitu (rys.1c). 133
a b Rys.2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie w złożu fluidalnym w temperaturze 350 o C przez czas: a 10 minut i b 30 minut (x1500) Fig.2. The microstructure of ductile iron after fluid bed austempering at the temperature 350 o C throgh: a 10 and b 30 minutes. (magn. x1500) O ile mikrostruktura pokazana na rys.2b jest typowa dla żeliwa ADI o tyle druga (rys.2a) w żaden sposób nie przypomina osnowy ausferrytycznej. Powyższe skłoniło do postawienia tezy, że szybkość chłodzenia w złożu fluidalnym była zbyt mała, by przez 10 minut ochłodzić próbkę w całej jej objętości do temperatury 350 o C i tym samym doprowadzić do przemiany austenitu przechłodzonego w ausferryt. Innym powodem mógł być niejednorodny rozkład temperatury w złożu fluidalnym, w szczególności zbyt wysoka temperatura w obszarze chłodzenia próbki. Powyższe stało się powodem przeprowadzenia badań mikrostruktury próbki wyciętej z części pomiarowej o średnicy 8mm. Mikrostrukturę w tej części próbki pokazano na rys.3. Na zdjęciu widać, iż mikrostruktura jest mieszaniną ausferrytu i perlitu, co potwierdza tezę o zbyt małej szybkości chłodzenia, która umożliwiła, ale tylko częściowe, uzyskanie osnowy ausferrytycznej. Obok ausferrytu doskonale widać pola perlitu. 134
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys.3. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego w części pomiarowej próbki o średnicy 8mm po hartowaniu 10 minut w temperaturze 350 o C (pow. x 1000) Fig.3. The microstructure of ductile iron in the part of specimen of diameter 8mm, after 10minutes austempering at the temperature 350 o C (magn x1000) 3.2. Wyniki uzupełniających badań żeliwa hartowanego dwustopniowo 3.2.1. Wyniki badań własności mechanicznych W tabeli 1 zamieszczono wynik badań własności mechanicznych próbek z żeliwa sferoidalnego hartowanych dwustopniowo, wpierw w stopionej cynie a następnie w gorącym oleju. Tabela 1. Własności mechaniczne żeliwa sferoidalnego Table 1. Mechanical properties of ductile iron Nr próbki Parametry obróbki cieplnej Własność I stopień II stopień R 0.2 R m Twardość T [ o C] t [min] T [ o C] T [min] [MPa] [MPa] HB 1.1 60 747 950 286.2 2.3 1.2 10 120 727 954 285.1 3.1 2.1 350 275 60 712 915 284.9 0.3 2.2 30 120 706 912 270.1 1.9 Z tabeli 1 widać, iż żeliwo ma umiarkowane własności wytrzymałościowe. Niestety brak informacji odnośnie do wydłużenia uniemożliwia ocenę na ile spadek wytrzymałości poprawił własności plastyczne. 3.2.2. Wyniki obserwacji metalograficznych Na rys.4 pokazano przykład typowej mikrostruktury żeliwa po dwustopniowym hartowaniu oznaczonych tak jak w tabeli 1. Mikrostruktura pokazana na rys.4 jest typową dla żeliwa ADI. Warto natomiast zauważyć wyjątkowo duży udział austenitu stabilizowanego węglem, który wydaje się być wyraźnie większy niż w gatunkach żeliwa ADI o bardzo dużej plastyczności. Wobec braku informacji ilościowych 135
odnośnie do wydłużenia, przeprowadzono wyrywkowe obserwacje w SEM, których wyniki zamieszczono niżej. a b c d Rys.4. Mikrostruktura żeliwa po dwustopniowym hartowaniu izotermicznym: a pr.1.1, b 1.2, c 2.1 oraz d 2.2 (pow. x 1500) Fig.4. The microstructure of two stage austempered ductile iron: a 1.1, b 1.2, c 2.2 and d 2.2 (magnification x1500) 3.2.3. Wyniki obserwacji w skaningowym mikroskopie elektronowym Obserwacje przeprowadzono w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM ang. Scaning Electron Microscope) f-my Leo 1530. Materiałem do badań były powierzchnie próbek po badaniach na maszynie wytrzymałościowej, z których pierwsze odnoszą się do żeliwa sferoidalnego po jednostopniowym hartowaniu izotermicznym w temperaturze 350 o w złożu fluidalnym, drugie do próbek hartownych dwustopniowo w stopionej cynie ( 350 o C) i gorącym oleju (275 o C). Wyniki obserwacji zamieszczono na rys.5. W wypadku obydwu rodzajów próbek, przełom ma charakter mieszany, tj, obok płaszczyzn pękania łupliwego są widoczne kratery, charakterystyczne dla przełomów 136
ARCHIWUM ODLEWNICTWA ciągliwych [1]. Te ostatnie są związane z obecnością austenitu o sieci regularnej ściennie centrowanej. Wyjątkowo interesujące jest zdjęcie na rys.5d, na którym są widoczne uskoki o wysokości n b, będące niewątpliwie wyjściem n dyslokacji na powierzchnię ziarna (b jest wektorem Burgersa). Jakkolwiek, zdjęcia zamieszczone na rys.5 nie ukazują tego w sposób przekonujący, to jednak udział powierzchni przełomów o charakterze ciągliwym wydaje się być wyraźnie większy w próbkach hartowanych dwustopniowo. a b c d Rys.5. Powierzchnia przełomu próbki hartowanej jednostopniowo w temperaturze 350 o C: a x 8.000, b x50.00, oraz hartowanej dwustopniowo (próbka 2.2), c x10.000 i d x50.000 Fig.5. The fracture surface of ductile iron after one step austempering at 350 o C: a x8.000, b x50.000 and after two-stage austempering (spec. # 2.2) c x10.000 and d x50.000 Jeśli wziąć pod uwagę, że wydłużenie próbki hartowanej jednostopniowo wynosiło 6% to z dużym prawdopodobieństwem można oczekiwać, iż wydłużenie w próbce hartowanej dwustopniowo powinno być odpowiednio większe. 137
4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ I WNIOSKI W tej części pracy skoncentrowano się tylko na wybranych zagadnieniach dotyczących hartowania dwustopniowego. Po pierwsze ustalono, że dwustopnio we hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego umożliwia uzyskanie żeliwa gatunku ADI pod warunkiem zapewnienia odpowiedniej szybkości chłodzenia, albo odpowiedniego składu chemicznego. Złoże fluidalne wykorzystane do hartowania niestopowego żeliwa sferoidalnego okazało się nie spełniać tych warunków. Zastosowane parametry hartowania dwustopniowego doprowadziły do otrzymania żeliwa o umiarkowanych własnościach wytrzymałościowych i znacznej plastyczności. Ze względów, o których była mowa wcześniej nie udało się uzyskać informacji ilościowej o wydłużeniu A 5 próbek hartowanych w ramach badań uzupełniających. Jeśli posłużyć się wykresem ujmującym zależność pomiędzy: HB, R m i R 0.2 a wydłużeniem 9rys.6), które wynosiły odpowiednio: 385HB, 1050MPa i 850MPa, można odczytać, że wydłużenie powinno być rzędu 10%. Rys.6. Zależność między R m, R e, U, A 5, a twardością HB żeliwa ADI [1] Fig.6. The relationships between tensile and yield strength, impact resistance and elongation and Brinnel hardness of ADI [1] 138
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Powyższe nie oznacza jednak, iż wydłużenie nie może być większe, ponieważ wykres odnosi się do hartowania jednostopniowego. Mając na względzie, że udział austenitu w osnowie żeliwa sferoidalnego hartowanego dwustopniowo (rys.4) jest wyraźnie większy od jego udziału w żeliwie ADI o dużej ciągliwości można sugerować, iż ciągliwość żeliwa po dwustopniowym hartowaniu izotermicznym w stopionej cynie i oleju może być wyraźnie większa. Swego rodzaju potwierdzeniem mogą być wyniki obserwacji fraktograficznych w SEM. Jeśli rzeczywiście tak byłoby wówczas można byłoby oczekiwać, iż hartowanie dwustopniowe może być skuteczną metodą otrzymywania żeliwa ADI o lepszym niż dotychczas skojarzeniu własności wytrzymałościowych i plastycznych. Uzyskane wyniki, jakkolwiek nie do końca satysfakcjonujące skłaniają do kontynuacji badań w tym zakresie wskazując równocześnie, iż kolejne próby powinno jednak prowadzić się przy zastosowaniu nieco innych parametrów procesu, zwłaszcza jeśli idzie o pierwszy etap hartowania. Jest zasadne by hartowanie to prowadzić w nieco niższej temperaturze przy zachowaniu porównywalnego czasu. LITERATURA [1].http://indigo4.gr.rwth-aachen.de/tlyer/squeeze/pic3.html 139
THE STUDY OF TWO-STAGE AUSTEMPERED DUCTILE IRON PART II SUMMARY In this part the results of structure investigations of ductile iron after one-step and two- step fluid-bed austempering are presented. Moreover, the results of additional experiment, enclosing tensile testing and structure observations of two -stage austempering in molten tin and hot oil are included. The analysis of the first allowed to explain the failure of two-stage austempering in fluid bed bath. The results of investigations of two-stage austempering in molten tin and then in hot oil proved the theoretical anticipations concerning the possibility to influence of two -stage austempering on the elongation of ADI. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 140