STRUKTURA I WŁASNOŚCI ŻELIWA ADI PO HARTOWANIU IZOTERMICZNYM BEZPOŚREDNIO Z FORMY ODLEWNICZEJ

62/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 STRUKTURA I WŁASNOŚCI ŻELIWA ADI PO HARTOWANIU IZOTERMICZNYM BEZPOŚREDNIO Z FORMY ODLEWNICZEJ J.TYBULCZUK 1, D. MYSZKA 2, A.PYTEL 3, A.KOWALSKI 4, M.KACZOROWSKI 5 2, 5 Zakład Odlewnictwa, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska 1 Instytut Odlewnictwa ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących hartowania izotermicznego odlewów z żeliwa sferoidalnego bezpośrednio z formy odlewniczej. Zaproponowana została nowa metoda otrzymywania odlewów z żeliwa ADI polegająca na przeprowadzeniu procesu obróbki cieplnej w czasie stygnięcia odlewu po usunięciu go z formy. Badania mikrostruktury wykazują, iż w wyniku takiej obróbki powstaje charakterystyczna ausferrytyczna osnowa żeliwa sferoidalnego zmieniająca się wraz z parametrami bezpośredniej obróbki cieplnej. Zaobserwowano również znaczący wpływ niklu, miedzi i molibdenu na kształtowanie osnowy żeliwa. Pomiary własności mechanicznych wskazują jednak na nieco niższe wartości od tych, otrzymywanych z materiału poddawanemu konwencjonalnej obróbce cieplnej dla żeliwa ADI. Keywords: ADI, direct austempering, fluid beds, hardness, microstructure, 1. WPROWADZENIE ADI otrzymuje się w wyniku specyficznej obróbki cieplnej polegającej na austenityzacji oraz hartowaniu izotermicznym odlewów z żeliwa sferoidalnego. 1 prof. dr hab. inż, jtybul@iod.krakow.pl 2 mgr inż., dawidmyszka@poczta.onet.pl. 3 4 5 prof. dr hab. inż., mkakzorowski@wip.pw.edu.pl

461 Znaczne korzyści, a szczególnie oszczędność energii, można uzyskać wytwarzając ADI poprzez bezpośrednie hartowanie izotermiczne w złożu fluidalnym. Proces taki polega na wykonaniu odlewów z żeliwa sferoidalnego i bezpośredniej obróbce cieplnej przeprowadzonej w trakcie jego stygnięcia. Z wykresu przedstawionego na rys. 1 można wnioskować o znacznych oszczędnościach energii wynikających z pominięcia etapów: przechowywania gotowych odlewów, ich ponownego nagrzewania oraz wytrzymania odlewów w temperaturze austenityzacji. Rys.1. Schemat cykli cieplnych w celu otrzymania struktury żeliwa ADI Fig. 1. Thermal cycles to obtain ADI structures Dotychczasowe badania dotyczące bezpośredniego hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego przeprowadzono dla odlewów wykonanych w formach metalowych [1,2,3], która to technologia jest nietypowa dla odlewów żeliwnych. W badaniach ujętych w niniejszej pracy, skoncentrowano się na odlewaniu żeliwa metodą pełnej formy, w której materiałem formierskim był czysty piasek kwarcowy. Bardzo ważnym elementem proponowanego procesu jest wykorzystanie złóż fluidalnych do hartowania izotermicznego. Okazuje się, iż dla żeliwa sferoidalnego wzbogaconego w Ni i Cu obrabianego cieplnie w złożach fluidalnych, można uzyskać ADI dla przekrojów ścianki -14mm. Dodatkowe wzbogacenie w niewielką ilość (0,2%) Mo powoduje, iż można z powodzeniem uzyskać ausferrytyczną osnowę żeliwa nawet dla przekrojów 25mm i większych. Z badań przeprowadzonych na Politechnice Warszawskiej [4,5] wynika również, iż zastosowanie SiC jako materiału złoża umożliwia otrzymywanie żeliwa ADI bez dodatków stopowych pod warunkiem odpowiednio małej masywności odlewu (grubości ścianki odlewu). Bezpośrednie hartowanie izotermiczne w złożu fluidalnym oferuje również szereg innych korzyści. Wśród nich istotne znaczenie ma zastąpienie toksycznych i drogich kąpieli solnych, powszechnie stosowanych w przypadku wytwarzania ADI.

462 Zaproponowana w pracy technologia, w której zastosowano wytwarzanie odlewów metodą pełnej formy, dodatkową modyfikację ciekłego żeliwa w formie, hartowanie izotermiczne w złożu fluidalnym zapewniające mniejszą szybkość chłodzenia niż w stopionych solach, a także obecność niewielkiej ilości dodatków stopowych zwiększających hartowność żeliwa to czynniki, które w istotnym stopniu mogą wpłynąć na strukturę ADI. Dzięki tym czynnikom może ona różnić się zasadniczo od struktury ADI otrzymywanej w badaniach z wykorzystaniem form metalowych [1,2,3]. Formy metalowe znacznie szybciej odbierają ciepło od krzepnącego odlewu niż formy piaskowe. Sugeruje to, iż mikrostruktura żeliwa uzyskanego w procesie pełnej formy będzie bardziej zbliżona do krzepnięcia objętościowego niż kierunkowego. To z kolei powinno znaleźć odzwierciedlenie w mniejszej segregacji pierwiastków stopowych w kierunku środka odlewu. Krzepnięcie objętościowe może natomiast przyczynić się do zwiększenia segregacji na granicach komórek eutektycznych - mikrosegregacji. Jeśli idzie o różnice między konwencjonalną obróbką cieplną dla żeliwa ADI a uproszczoną, to pierwszorzędne znaczenie może mieć brak w tej ostatniej przemiany eutektoidalnej. Przemiana austenitu w perlit prowadzi do utworzenia dwufazowej mieszaniny bogatego w węgiel cementytu Fe 3 C oraz ferrytu. Przemiana ta powoduje ponadto przekształcenie pojedynczych ziaren austenitu w szereg obszarów dwufazowych α+fe 3 C. Podczas podgrzewania do temperatury austenityzacji następuje zarodkowanie nowych ziaren austenitu, które o ile nie zostały przegrzane są mniejsze niż ziarna austenitu pierwotnego. Fakt może nie bez znaczenia z punktu widzenia dyspersji składników strukturalnych powstałych podczas późniejszego hartowania izotermicznego, a co za tym idzie własności mechanicznych żeliwa ADI. Można przypuszczać, że tak jak gruboziarnisty austenit w stali prowadzi po hartowaniu do utworzenia gruboziarnistego martenzytu, tak i w tym wypadku austenit, który nie podlegał przemianie (1) utworzy podczas hartowania izotermicznego ausferryt bardziej gruboziarnisty niż ten po konwencjonalnej obróbce cieplnej. γ Fe 3 C γ (1) chodzenie podgrzewanie Powyższe rozważania wymagają jednak potwierdzenia doświadczalnego. Jaka w wyniku hartowania w złożu fluidalnym powstaje struktura? Jak zmienia się ona pod wpływem zmiany składu chemicznego stopu? W jakim stopniu dodatkowa modyfikacja w procesie pełnej formy spełnia swoją rolę? Są to pytania szczególnie istotne w rozpatrywanym przypadku proponowanego procesu bezpośredniego hartowania izotermicznego w złożu fluidalnym. Artykuł ten, w pewnym stopniu, próbuje na nie odpowiedzieć. Skupia się on wyłącznie na analizie zdjęć metalograficznych, jednak zaplanowane i realizowane badania są zaplanowane na znacznie szerszą skalę. Mikroskopia elektronowa skaningowa i transmisyjna, dyfrakcja rentgenowska oraz mikroanaliza składu chemicznego mają posłużyć do wnikliwej oceny powstałego

463 direct ADI. Tak szczegółowa analiza jest uzasadniona nie tylko ze względów poznawczych lecz również utylitarnych. 2. METODYKA BADAŃ Bezpośredniemu hartowaniu izotermicznemu poddano odlewy próbne przedstawione na (rys.2a,b) wykonane z żeliwa sferoidalnego o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. We wstępnej części badań przeprowadzono pomiary zmian temperatury odlewów w funkcji czasu ich stygnięcia. Schemat umieszczenia termoelementów w formie i poszczególnych elementach odlewów pokazano na rys. 2a,b. Na podstawie przebiegu krzywych określono czas po jakim odlewy osiągały temperaturę 950 850ºC, tzn. czas do momentu ich usunięcia z formy. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa [%wag.] Table 1. Chemical composition of iron [wt.%] Symb. C Si Mn Mg P S Ni Cu Mo NC SNC 3.7 2.4 0.2 0.06 0.05 0.02 1.5 0.8 - NCM 3.6 2.4 0.2 0.06 0.08 0.01 1.5 0.8 0.2 a) b) Rys.2. Schemat modeli polistyrenowych: a) wlewek próbny YII, b)model schodkowy SNC Fig. 2. Schema of polystyrene model: a) YII model, b) SNC model W celu poprawienia efektu modyfikacji tzn. większego rozdrobnienia struktury, zwiększenia ilości wydzieleń grafitu a także uniknięcia tworzenia się ledeburytu zaobserwowanego we wcześniejszych próbach, zaproponowano modyfikację w formie. Modyfikator FeSi75 w ilości 0,1%wag. o granulacji 0,4 0,6mm był umieszczany w modelu układu wlewowego (rys. 2a,b). Takie jego ulokowanie miało zapewnić wprowadzenie modyfikatora do ciekłego metalu wpływającego do formy i przez to zapewnić odpowiednią modyfikację ciekłego żeliwa.

464 Pierwsza grupa odlewów nazwana NCM oraz NC o kształcie wlewków YII została poddana bezpośredniemu hartowaniu izotermicznemu w temperaturze 260, 300 i 360ºC w czasie 90min. Hartowanie izotermiczne było realizowane w filtrowanym powietrzem złożu fluidalnym, do którego przez czas pierwszych 10min. dozowano parę wodną, której zadaniem było zapewnienie lepszych warunków chłodzenia odlewów. Dalsze wygrzewanie było przeprowadzane z dozowaniem do złoża samego powietrza. Ze względu na obecność pewnej ilości perlitu, wskazującą na niedostateczną szybkość chłodzenia żeliwa zawierającego 1,5%Ni oraz 0,8%Cu, podczas hartowania izotermicznego, w kolejnych próbach hartowanie bezpośrednie przeprowadzono dla odlewów schodkowych SNC (rys.2b). Próby te miały za zadanie dostarczyć informacji o możliwościach hartowania odlewów o zaproponowanym składzie chemicznym. Odlewy te hartowano bezpośrednio w takich samych warunkach jak NCM i NC. Z wybranych elementów odlewów wycięto próbki, które poddano badaniom metalograficznym za pomocą mikroskopu świetlnego OLYMPUS IX70 wyposażonego w program komputerowy do pomiarów stereometrycznych oraz wzorców American Foundryman Society do oceny stopnia grafityzacji żeliwa. 3. WYNIKI I DYSKUSJA Charakterystyka grafitu została dokonana na żeliwie o składzie chemicznym jak dla odlewów NC bez dodatkowej modyfikacji (ANC) oraz poddanym takiemu procesowi (BNC). Wyniki zostały zamieszczone w tabeli 2. Tabela 2. Charaktrystyka grafitu Table 2. Graphite characteristic Symbol Nodularity [%] Nodule Count [nod/mm 2 ] ANC 95 175 225 BNC 95 225 275 Ocena ta wykazała, że modyfikacja spełniła swoją, a rozdrobnienie mikrostruktury sugeruje, iż stopień mikrosegregacji został przynajmniej w części ograniczony. Większa ilość kulek grafitu wskazuje na drobniejszą mikrostrukturę osnowy a co za tym idzie również lepsze własności mechaniczne. Dodatkowa modyfikacja zapewniła też uniknięcie zabieleń zaobserwowanych we wcześniejszych badaniach. Wprowadzenie 0,2% molibdenu do żeliwa oznaczonego NC wyraźnie zmieniło charakter kształtującej się struktury. Uzyskana ausferrytyczna osnowa z niewielką ilością bainitu i martenzytu dowodzi, że taki dodatek stopowy dla grubości ścianki 25mm będzie w wystarczającym stopniu poprawiał hartowność żeliwa. Podobnie jak w wypadku konwencjonalnej obróbki cieplnej dla ADI zaobserwowano w wyższych temperaturach mikrostrukturę złożoną z pierzaście rozgałęzionych płytek ferrytu i

465 znacznej ilości austenitu natomiast dla niższych temperatur ostre wydzielenia płytkowego ferrytu z niewielką ilością austenitu. Jakkolwiek próbki z odlewów NCM wykazują charakterystyczną zmianę mikrostruktury wraz ze zmianą temperatury hartowania (rys.3a,b,c) to mikrostruktura próbek NC (rys.4a,b,c) wykazuje nieco inny charakter. a) b) c) Rys. 3. Fot. x1500. Żeliwo sferoidalne NCM po hartowaniu izotermicznym w temperaturze: a)260ºc, b)300ºc, c)360ºc Fig. 3. Fot. x1500. Ductile iron NCM after austempering in the temperature: a)260ºc, b)300ºc, c)360ºc a) b) c) Rys. 4. Fot. x1500. Żeliwo sferoidalne NC po hartowaniu izotermicznym w temperaturze: a)260ºc, b)300ºc, c)360ºc Fig. 4. Fot. x1500. Ductile iron NC after austempering in the temperature: a)260ºc, b)300ºc, c)360ºc Z obserwacji mikrostruktury odlewów z żeliwa NC wynika, iż szybkość chłodzenia podczas hartowania bezpośredniego była zbyt mała, szczególnie w wypadku wyższej temperatury hartowania izotermicznego. Powoduje to występowanie w ausferrytycznej osnowie żeliwa sferioddalnego pewnej ilości perlitu. W wypadku niższej temperatury hartowania, np. 260ºC, gdy gradient temperatury jest większy, szybkość chłodzenia jest już wystarczająca do tego by w całej objętości odlewu otrzymać czystą ausferrytyczną osnowę. Uwzględniając powyższe zdecydowano ocenić możliwości powstawania ausferrytu dla odlewów z Ni i Cu (bez Mo) dla mniejszych i bardziej skomplikowanych przekrojów ścianek odlewów. Stwierdzono, iż dla wszystkich przypadków

466 bezpośredniego hartowania izotermicznego odlewów o grubości ścianki 10mm satysfakcjonujące struktury. Dla większych przekrojów jej charakter był podobny do badań poprzednich, tzn. uzyskano prawie czysto ausferrytyczną mikrostrukturę osnowy dla niższych temperatur hartowania (260 i 280ºC) oraz ausferrytyczno-perlityczną dla wyższych temperatur: rzędu 360, 380ºC. Pomiary twardości również wykazały charakterystyczne zróżnicowanie dla niższych i wyższych temperatur hartowania izotermicznego (tab.3). Badania wytrzymałości na rozciąganie, umownej granicy plastyczności oraz wydłużenia ukazały jednak nieco niższe wartości tych własności od oczekiwanych przez autorów (tab.3 własności dla NCM). Powodów takiego stanu rzeczy można szukać w mikrostrukturze żeliwa. Stwierdzono, iż odlewy charakteryzowały się, nierzadko w znaczącym stopniu, obecnością mikroporowatości. Obecność takich wad odlewniczych dyskwalifikowała uzyskanie wyższych własności wytrzymałościowych otrzymanych odlewów. Mikroporowatości te pojawiają się najprawdopodobniej w wyniku procesu zgazowania modelu w formie podczas odlewania żeliwa sferoidalnego. Jest to w przypadku odlewania metodą pełnej formy dość częsta wada, jednak odpowiednie zabiegi modyfikacji poszczególnych jej etapów powinno spowodować znaczne poprawienie jakości otrzymanych odlewów. Tabela 3. Table 3. Symbol NCM1 NCM2 NCM3 R m [MPa] 1104 1026 844 R 0,2 [MPa] 857 800 769 A 5 [%] 2,6 4,3 1,7 K [J]* 18,6 25,5 44,1 HRC 47 40 26 Temperatura hartowania izotermicznego [ºC] 260 300 360 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania bezpośredniego hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego w złożu fluidalnym wykorzystującym metodę pełnej wykazały, iż: 1. W łatwy i ekonomiczny sposób można otrzymywać żeliwo sferoidalne o osnowie ausferrytycznej; 2. Istnieją realne przesłanki do tego, aby własności mechaniczne uzyskanego w taki sposób materiału mogły spełniać założenia norm dla ADI. Warunkiem powyższego założenia jest rygorystyczna kontrola warunków odlewania metodą pełnej formy; 3. Złoża fluidalne z SiC fluidyzowane powietrzem z parą wodną są znakomitym ośrodkiem hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego niskostopowego;

467 LITERATURA [1] J. Massone, R. Boeri, J. Sikora: Production of hot shake out - microstructure and mechanical properties. Int. J. Cast Metals Res., 1999, t.11, s.419; [2] S.M.Yoo, K.Moeinipour, A.Ludwig, P.R.Sahm: Numerical simulation and experimential results of in situ heat treated austempered uctile iron. Int. J. Cast Metals Res., 1999, t.11, s.483;; [3] N.Varahraam, O.Yanagisawa: Properties of austempered ductile iron produced in equipment designed for consecutive in-stream treatment, grvity-diecasting, and direct austemepering. Cast Metals, 1990, t.3, nr3, s.129; [4] D.Myszka, M.Kaczorowski: Wykorzystanie złóż fluidalnych z węglikiem krzemu do hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego. III Polski Kongres Odlewnictwa, Warszawa 2000; [5] D.Myszka, M.Kaczorowski: Hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego w złożach fluidalnych. Acta Metallurgica Slovaca, 2002, nr8, s.89. STRUCTURAL AND MECHANICAL INVESTIGATIONS OF DUCTILE IRON DIRECTLY AUSTEMPERED FROM THE CASTING MOULD SUMMARY The results of microstructure and mechanical properties investigations of ductile iron directly quenched from casting mould are presented. This method is based on austempering the casting during the post solidification cooling stage. Castings were obtained in lost foam process and directly austempered in fluid bed. The results show that structure of acicular ADI matrix is changed with the change of austempering temperature. As higher is the temperature as much coarseness is the ausferritic matrix of ADI castings. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski