3/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 22, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 22, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN 1642-538 OCENA JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO EN-GJS-4-15 METODĄ ATD S. PIETROWSKI 1, G. GUMIENNY 2 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 9-924 Łódź STRESZCZENIE Określono liczbę wydzieleń grafitu w funkcji jego ks ztałtu oraz udział objętościowy grafitu w zależności od charakterystycznych parametrów krzywych ATD. Opracowano związki eksperymentalne dla określenia stopnia sferoidyzacji grafitu jak ró w- nież własności mechanicznych żeliwa sferoidalnego. Key words: crystallization, thermal derivative analysis, ductile cast iron. 1. WSTĘP Nowy kształt próbnika ATD-S oraz podstawy teoretyczne oceny jakości żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem metody ATD opracował S. Jura ze współpracownikami [1; 2]. Wykazano, że na krzywej derywacyjnej, po zakończonym procesie krystalizacji eutektyki, począwszy od temperatury 15ºC, a następnie w czasie 6s i 9s od końca krystalizacji eutektyki, występuje efekt cieplny. Jest on spowodowany mniejszym przewodnictwem cieplnym żeliwa sferoidalnego: 1 C (38 25) W / m K (1) 2 C w porównaniu z żeliwem szarym: 1 C (52 33) W / m K (2) 2 C W związku z tym wykorzystano go do oceny jakości żeliwa sferoidalnego. W celu p o- prawnej oceny stopnia sferoidyzacji grafitu opracowano wskaźnik kształtu grafitu [1; 1 prof. dr hab. inż., akgolnik@ck-sg.p.lodz.pl 2 mgr inż. 257
3]. Stwierdzono, że pomiędzy charakterystycznymi parametrami krzywych ATD, a liczbą wydzieleń grafitu, jego udziałem objętościowym oraz własnościami mech a- nicznymi R m, R p,2, A 5 i HB żeliwa sferoidalnego występują określone związki eksperymentalne. Umożliwia to szybką ocenę jakości żeliwa i możliwość jego korekty przed zalaniem form. Wykorzystując opracowane podstawy teoretyczne dokonano oceny jakości żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-4-15 z wykorzystaniem metody ATD. 2. METODYKA BADAŃ Krzywe ATD z zastosowaniem próbnika ATD-S dla 3 wytopów żeliwa sferoidalnego ferrytycznego gatunku EN-GJS-4-15 wykonano w Gliwickich Zakładach Urządzeń Technicznych GZUT w Gliwicach. Żeliwo było wytapiane w 1t piecu indukcyjnym tyglowym sieciowej częstotliwości. Sferoidyzację żeliwa wykonano metodą przewodu elastycznego (PE) stosując przewód INFORM MAG. M9813. Po sferoidyzacji żeliwo modyfikowano modyfikatorem Si 9 w ilości,9% od masy ciekłego żeliwa w kadzi odlewniczej. Skład chemiczny żeliwa określono na Quantowagu w GZUT. Zakres składu chemicznego badanego żeliwa przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zakres składu chemicznego badanego żeliwa sferoidalnego ferrytycznego Table 1. Chemical composition of ductile cast iron Zakres składu chemicznego, % C Si Mn P S Cr Cu Mg Pb 258 3,34 3,85 2,383 2,844,77,22,32,48,9,18,14,4,17,112,33,62,6,16 Wskaźnik kształtu grafitu c, względną N a i rzeczywistą N a R liczbę wydzieleń grafitu, względny V v i rzeczywisty V v R udział objętościowy grafitu oraz własności mechaniczne: R m, R p,2, A 5 i HB żeliwa w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD określono zgodnie z metodyką przedstawioną w pracy [4]. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie typu MM-348K przy powiększeniu 1 grafit, zgład nietrawiony, 5 mikrostruktura, zgład trawiony 4% HNO 3 w alkoholu etylowym. Badania R m, R p,2 i A 5 wykonano na maszynie wytrzymałościowej typu Instron, a pomiar twardości HB na Briviskopie dla warunków 187,5/2,5/3. 3. WYNIKI BADAŃ Przykładowe krzywe ATD badanego żeliwa o składzie: 3,76% C, 2,54% Si,,1% Mn,,48% P,,15% S i,43% Mg przedstawiono na rysunku 1. Na krzywej derywacyjnej występują efekty cieplne od krystalizacji w obszarze: AB grafitu pierwotnego, BDEFGH eutektyki grafit + austenit,
o t, C dt/d, C/s ARCHIWUM ODLEWNICTWA I K M ferrytu w wyniku przemiany eutektoidalnej austenit ferryt, oraz IKM zmiany przewodnictwa cieplnego. Punkt I występuje w temperaturze 15ºC, K w temperaturze 122ºC po czasie 6s od punktu H a M w temperaturze 989ºC po czasie 9s od punktu H. 14 1 AD B E FG H I K M I' K' M' 12 dt/d = f'( ) -1 1 o -2 8-3 t = f( ) 6-4 2 4 6 8 1, s Punkt s t, C dt/d K/s d 2 t/d 2, K/s 2 Pk 64 1156-1,81 172 A 75 1143 -,58-27,1 B 82 1139 -,72 76 D 95 1133, 37,9 E 15 1134,28 F 123 1137, -15,4 G 146 1134 -,3-42,4 H 191 11-1,39 1,86 I 228 15-1,29 5,52 K 251 122-1,17 4,58 M 28 989-1,6 1,36 I 51 792 -,69 4,6 K 653 735 -,6-2,27 M 888 672 -,42 Rys. 1. Krzywe ATD żeliwa sferoidalnego ferrytycznego o składzie: 3,76% C, 2,54% Si,,1% Mn,,48% P,,15% S,,43% Mg Fig. 1. TDA curves of ductile cast iron with: 3,76% C, 2,54% Si,,1% Mn,,48% P,,15% S,,43% Mg 259
Na, % Względną liczbę wydzieleń grafitu N a w funkcji wskaźnika grafitu c [N a = f(c)] dla żeliwa o krzywych ATD pokazanych na rys. 1 przedstawiono na rysunku 2. 3 26 25 21 2 15 1 6 7 1 12 14 5 1 1 2,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 "c" Rys. 2 Względna udział powierzchniowy wydzieleń grafitu N a w funkcji wskaźnika kształtu c Fig. 2. Relative share of graphite separations N a in function of c coefficient Przyjęto, że wskaźnik c (,8 1,) reprezentuje grafit zwarty i kulkowy, c (,65,7) reprezentuje grafit wermikularny a c <,65 grafit płatkowy. Z rys. 2 wynika, że w żeliwie występuje N a = 73% grafitu zwartego i kulkowego, N a = 23% grafitu wermikularnego i N a = 4% grafitu płatkowego. Względną objętość wydzieleń grafitu V v w funkcji wskaźnika kształtu c [V v = f(c)] pokazano na rysunku 3. Wynika z niego, że względna objętość wydzieleń grafitu zwa r- tego i kulkowego wynosi V v = 67%, grafitu wermikularnego V v = 22% i grafitu płatkowego V v = 11%. Na rysunku 4 przedstawiono względną liczbę wydzieleń grafitu N a w funkcji ich powierzchni BD. Wynika z niego, że przeważający udział N a = 4% ma grafit o wielkości zawartej w przedziale BD = 6,31 39,81 m 2. Grafit o BD < 6,31 m 2 występuje w niewielkiej ilości, N a = 8%. Wielkość wydzieleń grafitu jest dość znacznie zróżnicowana. Oprócz wyżej wymienionych wielkości występuje jeszcze grafit o powierzchni BD zawartej w przedziale 39,81 3981 m 2. 26
Na, % Vv, % ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3 25 25 2 15 12 16 12 14 1 5 6 4 4 4 3,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 "c" Rys. 3. Względny udział objętościowy wydzieleń grafitu V v w funkcji wskaźnika kształtu c Fig. 3. Relative share of volume graphite separations V v in function of c coefficient 25 2 2 2 16 15 13 1 8 11 1 5 2 1 2,511 6,31 15,85 39,81 1, 251,2 631, 1585 3981 BD Rys. 4. Względna udział powierzchniowy wydzieleń grafitu N a w funkcji ich powierzchni BD Fig. 4. Relative share of graphite separations N a in function of its area BD 261
Vv, % Względną objętość wydzieleń grafitu V v w funkcji ich powierzchni BD pokazano na rysunku 5. Największą objętością wydzieleń V v = 42%, charakteryzuje się grafit o wielkości BD = 631 1585 m 2 oraz grafit o wielkości BD = 251,2 631, m 2 (V v = 29%). Najmniejszą objętością wydzieleń V v = 14% charakteryzuje się grafit o wielkości BD = 2,511 251,2 m 2. 45 42 4 35 3 29 25 2 15 1 5 15 8 1 2 3 1 2,511 6,31 15,85 39,81 1, 251,2 631, 1585 3981 BD Rys. 5. Względny udział objętościowy wydzieleń grafitu V v w funkcji ich powierzchni BD Fig. 5. Relative share of volume graphite separations V v in function of its area BD Stosując metodę regresji krokowej opracowano następujące zależności stat y- styczne: względnej liczby wydzieleń grafitu N a w klasach 8 1 N a 8, względnej liczby wydzieleń grafitu N a w klasach 9 1 N a 9, względnej objętości wydzieleń grafitu V v w klasach 8 1 V v 8, względnej objętości wydzieleń grafitu V v w klasach 9 1 V v 9, doraźnej wytrzymałości na rozciąganie R m, umownej granicy sprężystości R p,2, wydłużenia A 5, twardości HB, w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD. 262
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Zależności N a 8 i N a 9 oraz V v 8 i V v 9 w funkcji parametrów krzywych ATD są następujące: N a 8 158 1,5 TG,11 ZD,15 ZG,59 ( SG SD),92 ( TD TF) 1,76 ( TF TH) (3) odchylenie standardowe: dn a 8 = 6,6 %; wartość średnia: N a 8s = 67,9 %; współczynnik korelacji: R =,81; test Fishera Snedecora: F = 7,25; test wiarygodności: W = 2,29 N a 9 214,2,24 TH,14 ZD,57( SF SD) (4) dn a 9 = 14,3 %; N a 9s = 4, %; R =,7; F = 8,12; W = 1,74 V v 8 341,7 1,5 TA 5,27 TD 4,42 TE 34,2 KH 71,8 KI dv v 8 = 15,6%; V v 8s = 62,5 %; R =,75; F = 6,25; W = 1,91 V v 9 244,7,26 TH 39,2 KG,24 ZD 1,46 ( SF SD),77 ( SG SD) 1,88 ( TD TF) (5) (6) dv v = 29,3%; V v s = 31, %; R =,77; F = 5,69; W = 1,97 gdzie: TA temperatura w punkcie A, TD temperatura w punkcie D, TH temperatura w punkcie H, TK temperatura w punkcie K, TD TF różnica temperatur między punktami D i F, TF TH różnica temperatur między punktami F i H, KG pochodna temperatury po czasie w punkcie G, KH pochodna temperatury po czasie w punkcie H, KI pochodna temperatury po czasie w punkcie I, ZD tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie D, ZG tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie G, SF SD czas między punktami F i D, SG SD czas między punktami G i D. 263
Dla wybranych próbek obliczono wielkości wg zależności (3) (6). Umieszczono je, obok wartości zmierzonych, w tabeli 2. Tabela 2. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych dla wybranych próbek Table 2. Comparison of measured and computed volumes for chosen samples Wielkości Wartości, % pomierzone obliczone N a 8 73 86 N a 9 47 46 V v 8 67 64 V v 9 4 35 Wykorzystując również metodę regresji krokowej opracowano własności mechaniczne R m, R p,2, A 5 i HB w funkcji składu chemicznego żeliwa oraz wielkości i kształtu grafitu V v, V v R, i N a 8R: R m 637,6 68,6 C 2,9 Si 46, 6 Mn (7) dr m = 1,18%; R m s = 428,1 MPa; R =,89; F = 33; W = 4,42 Rp,2 528,3 71,7 C,6 Vv 9R (8) dr p,2 = 2,74%; R p,2 s = 265,5 MPa; R =,83; F = 29; W = 3 A 1,72 4 C 11 Mn 64, 4 Cr 5 (9) da 5 = 3,97%; A 5 s = 17 %; R =,73; F = 9,4; W = 1,9 264
ARCHIWUM ODLEWNICTWA HB 295,9 12,5 C 25,5 Si 812,3 P 46 S 289,4 Cu,4 Vv 9R,7 Na 8R (1) dhb = 3,26%; HBs = 156,5; R =,83; F = 6,87; W = 2,5 gdzie: N a 9 względny udział powierzchniowy grafitu w klasach (9 1), %, N a 8 LWG N a 8R rzeczywista liczba wydzieleń grafitu na powierzchni próbki w klasach (8 1), szt. 1 Vv 9 LWG Vv 9R rzeczywista liczba wydzieleń grafitu w objętości 1 próbki w klasach (9 1), szt. LWG liczba wydzieleń grafitu na 1 mm 2, szt. W tabeli 3 przedstawiono wartości pomierzonych i obliczonych własności mechanic z- nych żeliwa wg zależności (7) (1). Tabela 3. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych dla wybranych próbek Table 3. Comparison of measured and computed volumes for chosen samples Wielkości Wartości pomierzone obliczone R m, MPa 43 428 R p,2, MPa 27 272 A 5, % 17 17 HB 143 147 265
Stosując metodę regresji krokowej opracowano zależności własności mechanicznych R m, R p,2, A 5 i HB w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD: R m 58,5 KE 27,7 KG, 59 TK 113 (11) dr m = 1,36%; R m s = 426,8 MPa; R =,78; F = 1,9; W = 2,24 R p,2 277,7,83 TH,9 TK 38,6 KE 33 KG,2 ZG,7 ( SF SD),22 ( SG SD) (12) dr p,2 = 1,74%; R p,2 s = 261,8 MPa; R =,75; F = 3,2; W = 1,6 A 41,4,5 TG 6,7 KE 3,1 KH,2 ZG 5,5 ( SF SD),3 ( TD TF),5 ( TF TH) (13) da 5 = 3,8%; A 5 s = 16,9 %; R =,85; F = 5,7; W = 2,4 HB 72, 4,97 TD 1,71 TE 6,5 TG 3,26 TH 91,8 KE 157,8 KG,32 ZF,2 ZG,27 TK 4,15 ( TF TH) (14) dhb = 2,24%; HBs = 157,3; R =,95; F = 11,1; W = 5,6 266
ARCHIWUM ODLEWNICTWA W tabeli 4 przedstawiono porównanie zmierzonych i obliczonych własności mech a- nicznych żeliwa dla wybranych próbek wg zależności (11) (14). Tabela 4. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych dla wybranych próbek Table 4. Comparison of measured and computed volumes for chosen samples Wielkości Wartości pomierzone obliczone R m, MPa 43 419 R p,2, MPa 27 255 A 5, % 17 18 HB 143 128 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy badań wynikają następujące wnioski: występuje ścisła korelacja pomiędzy kształtem i wielkością grafitu N a, V v, własnościami mechanicznymi R m, R p,2, A 5 i HB a charakterystycznymi punktami krzywych ATD, własności mechaniczne R m, R p,2, A 5 i HB są funkcją kształtu i wielkości grafitu N a i V v oraz składu chemicznego żeliwa, metoda ATD może i powinna być stosowana do kontroli jakości żeliwa sferoidalnego. LITERATURA [1] Jura S. i in., Zastosowanie metody ATD do oceny jakości żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (1/2), 21, s. 93. [2] Jura S. Jura Z., Wpływ funkcyjnych parametrów stereologicznych grafitu na właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2), 21, s. 175. [3] Jura S., Jura Z., Wpływ składu chemicznego i stopnia sferoidyzacji grafitu na wł a- sności mechaniczne żeliwa, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2), 21, s. 167. [4] Pietrowski S., Gumienny G., Metodyka przygotowania oceny jakości żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, vol. 2, nr 6, 22, s. 249 267
QUALITY ASSESMENT OF DUCTILE CAST IRON EN-GJS-4-15 WITH TDA METHOD SUMMARY We have defined the number of graphite separations in function of its shape and the graphite separations share depending on the characteristic parameters of TDA curves. We have also delineated experimental relations necessary to define the degree of the spheroidization process as well as mechanical properties of ductile cast iron. Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Jura Pracę wykonano w ramach realizacji grantu KBN nr 4T8B 13 22426 268