PROJEKT NR: POIG.01.03.01-12-061/08 Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne Próba ocena jakości żeliwa z różną postacią grafitu w oparciu o pomiar aktywności tlenu w ciekłym stopie i wybrane parametry krzywej krystalizacji Autor Mieczysław Kuder, Andrzej Pytel Zakopane, 23 24 maj 2013 ul. Zakopiańska 73 30-418 Kraków tel. +48 12 26 18 111 fax +48 12 26 60 870 iod@iod.krakow.pl
Cel Celem prowadzonych badań było określenie właściwości żeliwa, możliwości optymalizacji procesu metalurgicznego i stabilizacji jakości odlewów we wczesnym stadium procesu produkcyjnego, przy zastosowaniu nowoczesnych metod pomiarowych do oznaczania aktywności tlenu i analizy termicznej Zakres badań Dla realizacji projektu, przeprowadzono szereg wytopów żeliwa niestopowego i niskostopowego z zawartością niklu, miedzi i molibdenu. Przeprowadzono obróbkę stopem SiMg5Ce6 i modyfikatorem złożonym. Podczas prowadzenia wytopów wykonano pomiary aktywności tlenu w ciekłym stopie, analizę termiczną z identyfikacją charakterystycznych punktów krzywych krystalizacji oznaczono skład chemiczny i wykonano badania metalograficzne. 2
Wprowadzenie Oznaczanie składu chemicznego metodą spektrometryczną, wykonywane najczęściej podczas procesu metalurgicznego żeliwa, nie daje pełnego obrazu jego stanu fizykochemicznego. Między innymi nie uwzględnia stopnia utlenienia, a tlen aktywny zawarty w kąpieli powoduje zgar wprowadzanych składników zapraw oraz zmiany w przebiegu procesu krystalizacji. Przy stosowaniu stałych parametrów obróbki, nie zawsze otrzymuje się efekty zgodne z oczekiwanymi. Różnice dotyczą przede wszystkim postaci i rozłożenia wydzieleń grafitu, które mają znaczący wpływ na właściwości tworzywa. W celu ustabilizowania właściwości wytapianego żeliwa, podjęto próby zastosowania nowych metod pomiarowych jako uzupełnienie tradycyjnego oznaczana składu chemicznego do bieżącej oceny jakości produkowanego stopu. 3
Liczne badania udowodniły ścisły związek przebiegu krzywej chłodzenia z właściwościami żeliwa, takimi jak między innymi: skurcz całkowity, skłonność do tworzenia wad typu skurczowego, mikrostruktura stopu po zakrzepnięciu w formie odlewniczej w tym parametry wydzieleń grafitu (postać, ilość, rozłożenie) oraz obecność zabieleń, twardość i wytrzymałość mechaniczna. Krzywa chłodzenia żeliwa z opisanymi punktami charakterystycznymi krystalizacji Obszary krystalizacji żeliwa odpowiedzialne za powstawanie różnych postaci wad typu skurczowego w odlewie 4
Zależność struktury od przebiegu krystalizacji żeliwa Parametr Żeliwo szare Żeliwo wyjściowe do sferoidyzacji Żeliwo sferoidalne TElow, C 1135 1155 > 1145 1135-1150 Typowe wartości niektórych parametrów żeliwa z krzywej krzepnięcia określone systemem ATAS (wg NovaCast) R, C 3-8 < 8 1 5 GRF 1 40 80 > 80 70-120 GRF 2 15-35 < 35 35 60 TS, C 1100-1125 < 1105 1080-1105 S1 Zależnie od gatunku (wytrzymałości) 0 5 (zależnie od grubości ścianki) 5
Analogiczne zależności ustalono również w przypadku pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie poddanym obróbce stopami magnezu. Podstawą są zależności ustalone przez F. Seutensa, wiążące postać wydzieleń grafitu, wydłużenie i skłonność do tworzenia makroporowatości żeliwa od aktywności tlenu w ciekłym żeliwie, zmierzonej bezpośrednio przed zalewaniem form. Typowe wartości aktywności tlenu w ciekłym żeliwie, [ppb] grafit sferoidalny: 50 140 grafit wermikularny: 140 300 grafit płatkowy: 300 1500 6
Plan badań przeprowadzenie wytopów doświadczalnych żeliwa o zróżnicowanej zawartości pierwiastków stopowych (Cu, Ni i Mo) obróbka zaprawą magnezowo-cerową pomiar aktywności tlenu w ciekłym żeliwie - bazowym i końcowym wykonanie analizy termicznej dla określenia parametrów charakterystycznych punktów krzywej krystalizacji badania metalograficzne badania wytrzymałościowe 7
System pomiarowy Celox-Foundry System pomiarowo- analityczny ATAS 8
9
Pomiary aktywności tlenu w ciekłym żeliwie wykonano aparatem Celox -Foundry firmy Heraeus Electro-Nite. Aktywność tlenu rozpuszczonego w kąpieli określana jest przez pomiar siły elektromotorycznej odpowiednio dobranego ogniwa stężeniowego, stanowiącego zasadniczy element jednorazowego czujnika CF-Nod o czułości rzędu 1 ppb. Ekranu przyrządu Multi-Lab III z wykresem przebiegu i wynikami pomiaru 10
Analizy krzywych krzepnięcia przeprowadzono przy pomocy systemu pomiarowo-analitycznego ATAS firmy NovaCast Foundry Solutions AB w typowych kubkach pomiarowych Quik-Cup. Podstawowym programem komputerowym do obsługi tego systemu jest ATAS Verifier. Ekran programu ATAS z krzywymi krzepnięcia; jedną kompletną i drugą w trakcie wykreślania Kubki Quik-Cup podczas analizy krzepnięcia systemem ATAS 11
Zawartość pierwiastków % wagowy Wyniki badań i oznaczeń Skład chemiczny żeliwa z wytopów doświadczalnych Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f C 4,02 3,85 4,05 3,85 3,9 3,7 3,83 3,47 Si 1,20 2,06 1,40 2,32 1,54 2,30 1,80 2,55 Mn 0,56 0,57 0,48 0,50 0,43 0,44 0,47 0,48 P 0,053 0,055 0,05 0,05 0,048 0,054 0,048 0,053 S 0,025 0,022 0,025 0,02 0,02 0,015 0,025 0,02 Mg 0 0,025 0 0,018 0 0,017 0 0,019 CE 4,35 4,39 4,43 4,46 4,31 4,30 4,30 4,13 Ni+Cu+Mo 0,96 0,97 2,24 2,22 0 0 1,18 1,21 CE = C + 1/4Si + 1/2P 12
Aktywność tlenu w żeliwie z wytopów doświadczalnych Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f temp., o C 1464 1465 1478 1474 1464 1469 1447 1445 Emf, mv -139,3-235,7-17,6-241,8-132,1-241,9-158,7-247,2 ao, ppb 870 162 4444 136 957 141 631 157 bo, ppm 1,366 0,378 7,951 0,389 1,499 0,368 0,866 0,256 a) b) Wykresy przebiegu pomiaru aktywności tlenu w żeliwie nr 24 bazowym (a) i finalnym (b) 13
Parametry wybranych punktów charakterystycznych krzywych krystalizacji ustalone przez system ATAS dla badanych żeliw Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f ACEL 4,34 4,37 4,30 4,21 4,33 4,28 3,93 3,81 TL 1136 1133 1186 1151 1137 1143 1182 1196 TES 1136 1133 1173 1147 1137 1141 1172 1185 TElow 1136 1133 1151 1147 1137 1141 1156 1149 TEhigh 1146 1140 1155 1147 1146 1144 1157 1149 R 10 7 4 0 9 3 1 0 S1 0 0 21 6 0 6 30 28 S2 32 15 19 1 38 43 15 22 S3 68 85 60 93 62 51 55 50 GRF1 76 85 85 95 16 51 94 68 GRF2 61 96 92 168 55 72 27 69 Austenit pierw. 0 0 0 2 0 1 10 18 TS 1107 1083 1119 1077 1078 1086 1114 1088 14
Zrzuty ekranów: wyników, pochodnych i oceny programu ATAS Verifier dla bazowego żeliwa 24b 15
Zrzuty ekranów: wyników, pochodnych i oceny programu ATAS Verifier dla końcowego składu żeliwa 24f 16
Żeliwo z wytopu 24; zgład nietrawiony, grafit wermikularny Żeliwo z wytopu 25; zgład nietrawiony, grafit płatkowy zwichrzony Żeliwo z wytopu 28; zgład nietrawiony, grafit wermikularny + kulkowy Żeliwo z wytopu 29; zgład nietrawiony Grafit płatkowy, drobny (przechłodzenia) + wermikularny 17
Z e s t a w i e n i e w y n i k ó w Żeliwo 24 28 25 29 ao, ppb 162 141 136 157 GRF1 85 51 95 68 GRF2 96 72 168 69 R, o C 7 3 0 0 ACEL 4,37 4,28 4,21 3,81 CE 4,39 4,30 4,46 4,13 Mg, % wag. 0,025 0,017 0,018 0,019 Ni+Cu+Mo 0,97 0 2,22 1,21 Re, Mpa 280 280 0 94 Rm, Mpa 298 344 156 104 A, % 1,2 4,1 0 1,3 Grafit 90% IIIA6 + 10% VIA7 80% IIIA6 + 20% VIA7 100% IC6 80% ID7 + 20%III6 18
Podsumowanie: 1. Badaniom poddano żeliwo niestopowe i niskostopowe (Ni-Cu-Mo), poddane wermikularyzacji, przeznaczone na odlewy pracujące w warunkach zmęczenia cieplnego 2. Obróbka zaprawą SiMgCe i modyfikatorem spowodowała znaczące zmiany aktywności tlenu w ciekłym żeliwie oraz parametrów punktów charakterystycznych krzywej krystalizacji 3. Końcowa zawartość Mg w żeliwie sugeruje uzyskanie grafitu wermikularnego; w rzeczywistości postać grafitu była znacznie zróżnicowana i prawdopodobnie uzależniona od zawartości pierwiastków stopowych 4. Wartości aktywności tlenu w żeliwie końcowym wszystkich wytopów, mieściły się w dolnej połówce zakresu odpowiadającego żeliwu wermikularnemu, co nie miało jednak w pełni przełożenia na rzeczywistą postać grafitu 5. Wartości wskaźnika GRF2, służącego do prognozowania postaci grafitu, kształtowały się powyżej górnej granicy dla żeliwa sferoidalnego, jednak uzyskane wyniki nie pozwoliły na jednoznaczne określenie tej zależności 6. Użyta w badaniach aparatura określa stan fizykochemiczny żeliwa, jednak do precyzyjnego prognozowania struktury i właściwości żeliwa na podstawie ich wskazań niezbędne jest stworzenie obszernej bazy danych porównawczych uzyskanych przez obróbkę statystyczną wiarygodnych wyników 19
Dziękuję za uwagę Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.