MECHANIZM KRYSTALIZACJI GRAFITU WERMIKULARNEGO W ŻELIWIE

13/37 Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 MECHANIZM KRYSTALIZACJI GRAFITU WERMIKULARNEGO W ŻELIWIE PIETROWSKI Stanisław, Instytut Inżynierii Materiałowej i Technik Bezwiórowych, Politechnika Łódzka, 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1/15 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań metodą zamrażania mechanizmu krystalizacji grafitu wermikularnego w żeliwie. Wykazano, że grafit wermikularny krystalizuje wg trzech mechanizmów. Potwierdza to dotychczasowe częściowe poglądy w tym zakresie. 1. WSTĘP Dotychczasowe poglądy odnośnie mechanizmu krystalizacji grafitu wermikularnego w żeliwie stwierdzają, że wokół grafitu tworzy się otoczka austenitu, ale końce wydzieleń grafitu kontaktują się z cieczą. Grafit w cieczy wzrasta z większą prędkością w kierunku <1010> niż w kierunku [0001]. Prędkość wzrostu grafitu w otoczce austenitu jest większa w kierunku [0001] niż w kierunku <1010> [1-4]. Wg danych w pracach [5, 6] grafit wermikularny może wzrastać z powstałych wcześniej wydzieleń grafitu płatkowego lub kulkowego. Celem pracy było zbadanie mechanizmu krystalizacji grafitu wermikularnego metodą zamrażania próbek. 2. METODYKA BADAŃ Żeliwo wytapiano w laboratoryjnym piecu indukcyjnym o częstotliwości 8 khz i pojemności tygla 100 kg. Wermikularyzację grafitu przeprowadzono miszmetalem

98 o składzie: 54 % Ce, 32 % La i 12 % Ne. Ilość dodawanego miszmetalu wynosiła 1 % od masy ciekłego żeliwa podobnie jak żelazokrzemu Si90 do modyfikowania. Skład chemiczny badanego żeliwa zawierał się w zakresie podanym w tabeli 1. Tabela 1 Zakres składu chemicznego badanego żeliwa Chemical composition range of tested cast iron Skład chemiczny, % C Si Mn P S 2,80 3,40 1,80 2,30 0,20 0,30 0,05 0,03 Zawartość tlenu w żeliwie oznaczono na aparacie firmy Leco. Zawierała się ona w przedziale 80 120 ppm. Krzywe ATD badanego żeliwa rejestrowano za pomocą aparatury CRYSTALDIGRAPH firmy Z-TECH z próbnikiem ATD-10. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury przez próbkę studzono ją gwałtownie w wodzie. Zamrożoną w ten sposób strukturę obserwowano na mikroskopie metalograficznym typu Epityp przy powiększeniu x 200 i x 400 po wytrawieniu Nitalem. 3. WYNIKI BADAŃ Reprezentatywne krzywe ATD badanego żeliwa z grafitem wermikularnym pokazano na rysunku 1. Zaznaczono na nich punkty 1-6 oraz H, z których temperatur t 1 - t 6 i t H zamrażano próbki. Krystalizacja żeliwa rozpoczyna się od wydzielenia dendrytów austenitu w temperaturze t A = 1134 C. W temperaturze minimalnej solidus t Smin = t D = 1088 C rozpoczyna krystalizację eutektyka γ + grafit (G). Temperatura maksymalna solidus wynosi t Smax = t F = 1102 C. Wielkość przechłodzenia wynosi t = 14 C. W temperaturze t H = 1050 C kończy się krystalizacja eutektyki γ + G. Na rysunku 2 (a - h) przedstawiono strukturę żeliwa z kolejnych temperatur t 1 - t H zamrażania (a - g) oraz po studzeniu w próbniku (h). W strukturze żeliwa zamrożonego z temperatury t 1 = 1119 C występują dendryty przemienionego w martenzyt austenitu, cementyt oraz w otoczkach ferrytu grafit zwarty, z którego pewnych wydzieleń zaczyna wzrastać grafit krętkowy (rys. 2a). Zamrożenie z temperatury t 2 = 1095 C wykazało, że oprócz poprzednio wymienionego grafitu pojawił się już grafit krętkowy (rys. 2b). Podobna jest budowa grafitu w próbce zamrożonej z temperatury t 3 = 1088 C (rys. 2c) równej temperaturze t Smin = t D. Obecność grafitu zwartego w tych przypadkach spowodowana jest przede wszystkim dużym przechłodzeniem żeliwa w wyniku gwałtownego studzenia w wodzie. W strukturze próbki zamrożonej z temperatury t 4 = 1093 C występuje grafit wermikularny częściowo cienki oraz pogrubiony o cienkich końcach wychodzących poza otoczkę ferrytu (rys. 2d). W strukturze próbki zamrożonej z temperatury t 5 = 1101 C, a więc bardzo bliskiej t Smax = t F = 1102 C występuje stosunkowo gruby grafit wermikularny, którego niektóre końce są cieńsze i wychodzące poza otoczkę ferrytu, a inne grube zamknięte w otoczce ferrytu (rys. 2e).

99 t, C 1300 A D E F H 1250 4 3 2 5 1200 1 6 dt/d τ= f' ( τ) 1150 1100 t= f( τ) 1050 1000 0 50 100 150 200 250 300 τ, s krzywe ATD badanego żeliwa Fig. 1 Representative ATD curves of tested cast iron 1 0-1 -2-3 -4 dt/d τ, C/s Punkt t, C A 1134 1 1119 2 1095 D, 3 1088 4 1093 E 1096 F 1102 5 1101 6 1085 H 1050 Rys.1 Reprezentatywne Podobna budowa grafitu wermikularnego występuje w próbce zamrożonej z temperatury t 6 = 1085 C (rys. 2f). W strukturze próbki zamrożonej z temperatury t H = 1050 C występują wymienione dotychczas charakterystyczne cechy budowy grafitu (rys. 2g). Strukturę próbki studzonej w powietrzu otoczenia pokazuje rys. 2h. Złożona jest ona z grafitu wermikularnego i ferrytu. Z przedstawionych danych wynika, że zamrażając próbki z zakresu temperatury t 5 - t H otrzymuje się wszystkie wymienione poprzednio cechy krystalizacji i budowy grafitu wermikularnego. W związku z tym na rys. 3 i 4 (a - d) przedstawiono reprezentatywne cechy grafitu wermikularnego w próbkach zamrożonych z temperatury t 5 - t H (a - c) oraz poniżej temperatury t H t.j. t = 1000 C. Potwierdzają one przedstawiono dotychczas dane o budowie grafitu wermikularnego. Na podstawie przedstawionych badań można stwierdzić, że występują trzy grupy krystalizacji grafitu wermikularnego w żeliwie. Mechanizm krystalizacji grafitu w poszcególnych grupach przedstawiono schematycznie na rysunku 5 (a - c). Krystalizacja grafitu wermikularnego wg mechanizmu przedstawionego na rys. 5a przebiega następująco. Rozpoczynający krystalizację eutektyki grafit (rys. 5a.1) zostaje częściowo otoczony austenitem w taki sposób, że część grafitu znajduje się w cieczy (rys. 5a.2). W tym obszarze front krystalizacji grafitu wyprzedza front krystalizacji austenitu. Wzrost grafitu w obu etapach odbywa się z większą prędkością w kierunku <1010> niż w kierunku [0001] t.j. V< 1010> > V [0001].

100 a) b) c) d) e) f) g) h) Rys. 2(a-h) Struktura żeliwa zamrożonego odpowiednio z temperatury: a) t 1 =1119 C, b) t 2 =1095 C, c) t 3 =1088 C, d) t 4 =1093 C, e) t 1 =1101 C, f) t 6 =1085 C, g) t H =1050 C, h) po studzeniu w powietrzu otoczenia Fig. 2(a-h) Structure of cast iron freezed from temperature: a) t 1 =1119 C, b) t 2 =1095 C, c) t 3 =1088 C, d) t 4 =1093 C, e) t 1 =1101 C, f) t 6 =1085 C, g) t H =1050 C and after cooling in ambient air - h)

101 a) b) c) d) Rys. 3(a-d) Przykłady struktury żeliwa zamrożonego odpowiednio z temperatury: a) 1100 C, b) i c) 1050 C, d) 1000 C Fig. 3(a-d) Structure examples` of cast iron freezed from temperature: a) 1100 C, b and c) 1050 C, d) 1000 C Część grafitu w otoczce austenitu wzrasta w wyniku dyfuzji przez nią węgla z większą prędkością w kierunku [0001] niż w kierunku <1010> t.j. V [0001] > V < 1010>. Następuje pogrubianie grafitu, natomiast pozostała część grafitu będąca w cieczy wzrasta z prędkością V < 1010> > V [0001] i jest on cieńszy od grafitu w otoczce γ (rys. 5a.3). Wypadkowe prędkości wzrostu V [0001] i V < 1010> zbliżają się do siebie. Wzrost grafitu znacznie zmniejsza wokół niego stężenie węgla w cieczy, w wyniku czego front krystalizacji austenitu wyprzedza front krystalizacji grafitu. Cały grafit zostaje otoczony austenitem i wtedy V [0001] > V < 1010>. Następuje dalsze pogrubianie grafitu, ale jego część zamknięta przez austenit w ostatniej fazie jest cieńsza od pozostałej otoczonej wcześniej (rys. 5a.4). Krystalizacja grafitu wermikularnego wg mechanizmu przedstawionego na rys. 5b polega na tym, że znacznie rozbudowany grafit (rys. 5b.1) w wyniku bardzo dużego przesycenia żelazem otaczającej go cieczy zostaje zamknięty przez otoczkę austenitu (rys. 5b.2). W tej fazie wzrostu grafitu prędkości V < 1010> i V [0001] zbliżają się do siebie. Po zamknięciu grafitu przez austenit prędkość V [0001] > V < 1010>, a wzrost grafitu odbywa się w wyniku dyfuzji węgla przez otoczkę austenitu. Trzeci mechanizm wzrostu grafitu wermikularnego polega na tym, że początkowo sferyczny front krystalizacji grafitu (rys. 5c.1) zostaje zakłócony w wyniku czego wzrasta od kulki grafitu odgałęzienie, które wyprzedza początkowo sferyczny front krystalizacji austenitu otaczającego grafit (rys. 5c.2).

102 a) b) c) d) Rys. 4(a-d) Przykłady struktury żeliwa zamrożonego odpowiednio z temperatury: a) 1100 C, b) 1050 C, c) 1000 C Fig. 4(a-d) Structure examples` of cast iron freezed from temperature: a) 1100 C, b) 1050 C, c) 1000 C W tych przypadkach prędkość V [0001] > V < 1010>. Odgałęzienie grafitu od kulki pociąga za sobą front krystalizacji austenitu, a prędkości V [0001] i V < 1010> zbliżają się do siebie (rys. 5c.3). Następuje zamknięcie grafitu przez austenit, a prędkość V [0001] > V < 1010>. Końcowa część krystalizującego grafitu jest cieńsza od pozostałej (rys. 5c.4).

103 Rys. 5(a-c) Modele wzrostu grafitu wermikularnego w żeliwie Fig. 5(a-c) Models of vermicular graphite growth

104 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy badań wynikają następujące wnioski: krystalizacja grafitu wermikularnego odbywa się wg trzech mechanizmów, potwierdzają one dotychczasowe częściowe poglądy w tym zakresie. LITERATURA [1] Riposan I., Sofroni L., Chisamera M.: Giesserei Praxis, v. 21, 1978, s. 351 [2] Lux B., Vendl A., Hahn H.: Radex Rundschau, v. 1/2, 1980, s. 30 [3] Stefanescu D. M., Loper C. R. Jr.: Giesserei praxis, v. 3, 1981, s. 1 [4] Chen Sy - Sen i inni: 48 J.F.C., Varna, 1981, v. 8CN [5] Den Xijun, Zhu Peiyue, Liu Qifu: The physical Metallurgy of Cast Iron. Elsevier Science Publishing Co. New York - Amsterdam - Oxford, 1985, s. 3 Pracę wykonano w ramach projektu badawczego Nr 7T08B 006 13 CRYSTALLISATION MECHANISM OF VERMICULITE GRAPHITE IN CAST IRON. Abstract The test result of vermicular graphite crystallization mechanism with the freezing method have been presented here. It has been shown, that vermicular graphite crystallizes according to the three mechanisms. It acknowledges heretofore-known outlooks in this range.