Wpływ procesu stygnicia odlewu na wybrane parametry eliwa chromowego odpornego na cieranie

AMME 2003 12th Wpływ procesu stygnicia odlewu na wybrane parametry eliwa chromowego odpornego na cieranie A. Studnicki, M. Przybył, J. Kilarski Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Zakład Odlewnictwa, Politechnika lska, ul.towarowa 7, 44- Gliwice, Poland W artykule przedstawiono krótk analiz parametrów struktury oraz wybranych własnoci mechanicznych odlewu modelowego wykonanego z eliwa chromowego odpornego na cieranie. Zakres bada obejmował: ilociow ocen fazy wglikowej, analiz twardoci i mikrotwardoci osnowy. Pomiary w/w parametrów wykonano na przekrojach modelowego odlewu specjalnie zaprojektowanego do badania materiałów odlewniczych przeznaczonych na odlewy grubocienne. W pracy analizie poddano eliwo chromowe o zrónicowanej zawartoci wgla (1.8; 2.4 i 3.3%) oraz chromu (12; 18 i 24%). 1. WPROWADZENIE Własnoci uytkowe odlewu zale nie tylko od składu chemicznego, ale w duej mierze od procesu stygnicia odlewu, który w zasadniczy sposób kształtuje struktur. Gabaryty odlewu i stosowana technologia odlewania wpływaj na szybko stygnicia, czyli w konsekwencji na struktur przyszłego wyrobu. W strukturze odlewu s zapisane wszystkie interesujce uytkownika własnoci. Wród eliw chromowych znaczc grup stanowi stopy stosowane na elementy maszyn pracujce w rodowiskach ciernych, np. w przemyle wydobywczym i przeróbczym rónych surowców mineralnych. Odlewy odporne na cieranie (np. płyty bijakowe, młotki, listwy, wyłoenia zsypów, zby koparek, korpusy pomp, wirniki itd.) s zwykle odlewami grubociennymi w których stygnicie przebiega z rón szybkoci na przekroju. Taki przebieg stygnicia ma wpływ na rozkład rónych parametrów tj. twardo, mikrotwardo osnowy, wielko wglików, wielko ziaren, udarno, odporno na pkanie, wytrzymało na rozciganie, wydłuenie itd. Pomimo rónych dyskusji w wiecie nauki i praktyki na temat znaczenia parametrów materiałowych, które decyduj o odpornoci tworzywa na cieranie, twardo materiału nadal zajmuje wane a czsto niepodwaalne miejsce przy doborze tworzywa na róne elementy robocze, szczególnie w przypadku silnego zuycia ciernego (objtociowego). Z tego wzgldu wane jest aby odlew posiadał na przekroju roboczym jednorodne właciwoci przeciwcierne. Tak wic twardo, która jest czsto znaczcym parametrem powinna by optymalnie wysoka i w miar stała na roboczej głbokoci odlewu. W Katedrze Odlewnictwa Politechniki lskiej opracowano metod badania procesu krystalizacji dla odlewów grubociennych. Metoda ta umoliwia analiz szeregu czynników

848 A. Studnicki, M. Przybył, J. Kilarski (szybkoci stygnicia, składu chemicznego, struktury, technologii odlewania) majcych wpływ na własnoci uytkowe odlewów grubociennych wykonanych z materiałów trudnoobrabialnych. Analiza rozkładu rónych parametrów na przekroju modelowego odlewu moe by bardzo przydatna do prognozowania struktury w odlewach przemysłowych. 2. CEL BADA, MATERIAŁ I PRZEBIEG BADA Celem pracy było okrelenie wpływu kierunkowego procesu krystalizacji oraz stenia wgla i chromu na rozkład wybranych parametrów stereologicznych wglików oraz rozkład twardoci i mikrotwardoci osnowy w eliwie chromowym. Zaprezentowane badania przeprowadzono na dziewiciu wytopach eliwa chromowego o składzie chemicznym podanym w tablicy 1. Wytopy zostały wykonane w indukcyjnym piecu tyglowym o wyłoeniu obojtnym w Katedrze Odlewnictwa Politechniki lskiej (obecnie Zakładzie Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inynierskich i Biomedycznych). Tabela 1 Skład chemiczny badanych eliw chromowych nr wytopu C Cr nr wytopu C Cr nr wytopu C Cr oznaczenie % % oznaczenie % % oznaczenie % % 4 6 7 1.93 12.12 1.86 18.94 C18Cr12 C18Cr18 C18Cr24 1.82 23.38 5 1 2 2.50 12.69 2.43 17.27 C24Cr12 C24Cr18 C24Cr24 2.44 21.43 8 3 9 3.55 13.28 3.56 17.23 C33Cr12 C33Cr18 C33Cr24 3.15 25.11 Odlew modelowy φ30 mm poddany badaniom uzyskano w specjalnym próbniku z izolacj ciepln. Zadaniem izolacji cieplnej próbnika jest zmniejszenie szybkoci stygnicia całego odlewu. Na rys.1 przedstawiono konstrukcj próbnika z izolacj ciepln. Czas stygnicia próbnika do temperatury 500 o C wynosi około 3 godzin. W czasie odlewania rejestrowano krzywe stygnicia w piciu punktach odlewu modelowego. Krzywe stygnicia umoliwi w przyszłoci głbsz analiz parametrów krystalizacji w funkcji szybkoci stygnicia i ich wpływ na własnoci uytkowe eliwa chromowego. W dalszej czci pracy odlew modelowy φ30 został wykorzystany do przygotowania próbek do bada rozkładu twardoci i mikrotwardoci osnowy oraz rozkładu parametrów stereologicznych wglików w funkcji odległoci od czoła odlewu modelowego oraz w od orientacji analizowanego przekroju wzgldem kierunku odprowadzania ciepła z odlewu. Na rys.2 i rys.3 przedstawiono sposób pozyskiwania próbek z odlewu modelowego. 3. ROZKŁAD TWAROCI I MIKROTWARDOCI OSNOWY NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU Próbki do bada przygotowano z odlewu modelowego uzyskanego w próbniku z izolacj ciepln. Jest to odlew walcowy o rednicy φ30 mm. Dziki wykorzystaniu tego odlewu,

Wpływ procesu stygnicia odlewu na wybrane parametry 849 proces przygotowania próbek do pomiarów twardoci i zgładów do pomiarów mikrotwardoci jest prosty i nie powoduje uszkodzenia struktury w trakcie cicia. Przecinanie odlewu modelowego o rednicy φ30 mm przeprowadzono na standardowej laboratoryjnej przecinarce ciernej firmy Struers przy intensywnym chłodzeniu. Odlew modelowy przecito w miejscach z których zdjto krzywe stygnicia w czasie przeprowadzenia eksperymentu odlewania. Na rys.2 pokazano sposób pobierania próbek do badania twardoci i mikrotwardoci osnowy. Komplet próbek z kadego wytopu składajcy si z 5 sztuk został poddany dalszym badaniom. Badania twardoci wykonano metod Rockwella zgodnie z norm. Zgłady do pomiaru mikrotwardoci osnowy przygotowano standardow metod i nastpnie słabo trawiono odczynnikiem Mi19Fe. Pomiar mikrotwardoci wykonano przy obcieniu 30 G na mikrotwardociomierzu Hannemana. W tabeli 2 zestawiono wyniki pomiaru twardoci i mikrotwardoci osnowy próbek. Wykonano równie badania jakociowe struktury, ogldzinom na mikroskopie optycznym poddano wytrawione zgłady. Szczególnie uwag skupiono na osnowie, na jej jednorodnoci. I II Rys.1 Konstrukcja próbnika z izolacj ciepln 1 odlew modelowy φ30, 2 osłona kwarcowa, 3 izolator cieplny, 4 materiał izolacyjny 5 rura stalowa, 6 materiał formierski, 7 ochładzalnik, 8 stalowa podstawa. I kierunek odprowadzenia ciepła z odlewu modelowego do formy, II czoło próbki modelowej (zerowy poziom pomiarowy)

850 A. Studnicki, M. Przybył, J. Kilarski φ30 Pomiar twardoci HRC i mikrotwardoci µ HV30 1.5 ~150 1.4 1.3 70 45 1.2 25 10 1.1 Oznaczenie: nr wytopu. nr przekroju Rys.2 Sposób pobierania próbek z odlewu modelowego do pomiaru twardoci i mikrotwardoci Tabela 1 Zestawienie wyników bada nr wyt. L oznacz. [mm] HRC HV30 10 44.3 490 25 46.0 542 4 45 45.3 547 C18Cr12 70 42.0 590 37.6 582 5 C24Cr12 8 C33Cr12 10 25 45 70 10 25 45 70 45.6 47.3 45.6 42.0 46.6 46.6 45.0 46.3 46.6 46.5 596 584 575 563 532 582 583 568 570 561 nr wyt. oznacz. 6 C18Cr24 1 C24Cr24 3 C33Cr24 HRC 44.0 43.6 40.3 38.0 36.6 43.6 44.0 42.0 44.0 41.0 48.0 48.5 48.0 47.0 47.0 HV30 602 419 427 384 363 588 539 523 453 459 682 657 614 594 572 nr wyt. oznacz. 7 C18Cr33 2 C24Cr33 9 C33Cr33 HRC 49.6 49.0 46.0 41.6 40.6 42.1 43.0 42.8 42.3 42.0 40.3 42.6 42.0 39.5 39.4 HV30 628 531 555 484 461 521 530 528 504 510 518 523 520 503 501

Wpływ procesu stygnicia odlewu na wybrane parametry 851 4. OPIS FAZY WGLIKOWEJ NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU Próbki do bada struktury zostały wycite z modelowego odlewu o kierunkowym przepływie ciepła. Analiz struktury prowadzono w dwóch płaszczyznach, tj. prostopadłej i wzdłunej (równoległej) do osi odlewu w funkcji odległoci od czoła próbki (rys.3). φ30 Powierzchnie pomiarowe prostopadłe do osi próbki 1.5p ~150 1.4p 1.5r 1.3p 70 1.4r 45 1.2p 25 10 1.1p 1.2r 1.3r Powierzchnie pomiarowe równoległe do osi próbki 1.1r Oznaczenie: nr wytopu. nr przekroju kod powierzchni pomiarowej (p - prostopadła do osi, r - równoległa do osi próbki) Rys.3 Sposób pobierania próbek z odlewu modelowego do bada metalograficznych Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie wietlnym NIKON współpracujcym z komputerowym analizatorem obrazu MAGISCAN-2AR. Pomiary realizowano z uyciem obiektywów o powikszeniu 20 i 40 razy, co odpowiadało polu pomiarowemu odpowiednio 25516 i 58413 µm 2. Analizie ilociowej poddano wydzielenia wglików wystpujce na 8 polach pomiarowych, rejestrujc: powierzchni dekodowan BD, obwód BP, długo BL, szeroko BB oraz udział objtociowy fazy wglikowej Vv. Na rys.4 przedstawiono struktury dwóch wytopów z wybranych obszarów modelowego odlewu, tj. blisko czoła (10 mm przekrój 1), w czci rodkowej (45 mm przekrój 3) oraz w pobliu centrum cieplnego ( mm przekrój 5), przekroje oznaczone zgodnie z rys.3. Intensywniejsze zmiany parametrów stereologicznych wglików zaobserwowano w płaszczynie wzdłunej próbki, czyli w kierunku przepływu ciepła. W okolicy centrum cieplnego odlewu, szczególnie w wytopach wysokowglowych zauwaa si jeszcze wydłuone wgliki, lecz zorientowane w rónych kierunkach. Subtelniejszych informacji dostarczaj histogramy rozkładu parametrów stereologicznych wszystkich analizowanych wglików. I tak na rys.5 i 6 przedstawiono odpowiednio ilo wglików Na [1/mm 2 ] na poszczególnych przekrojach wzdłunych (równoległych) i poprzecznych (prostopadłych) modelowego odlewu eliwa chromowego wysokowglowego w klasach ich powierzchni. Podziału na klasy dokonano w 15 przedziałach w skali logarytmicznej w oparciu o najmniejsz i najwiksz analizowan powierzchni wglika dla poszczególnego wytopu. Natomiast na rys.7 i 8 przedstawiono

852 A. Studnicki, M. Przybył, J. Kilarski odpowiednio rozkład iloci wglików Na oraz udziału objtociowego wzgldnego Vv tylko na jednej wybranej płaszczynie (szybkoci stygnicia) próbki, lecz z trzech badanych wytopów. Stwierdza si znacznie zrónicowany przebieg histogramów w zalenoci od zawartoci wgla w wytopie. Maksymalna ilo wglików Na wystpuje w niskowglowym eliwie (w klasach o małej powierzchni wglików) i maleje ona w miar wzrostu zawartoci wgla z jednoczesnym przesuniciem maksimum w kierunku wikszych powierzchni wglików. Wytop 4 - C18Cr12 4.1r 4.3r 4.5r 4.1p 4.3p 4.5p Wytop 8 - C33Cr12 200µm 8.1r 8.3r 8.5r 8.1p 8.3p 8.5p 200µm Rys.4 Struktura eliwa chromowego w funkcji odległoci od czoła próbki wytop 4 i 8

Wpływ procesu stygnicia odlewu na wybrane parametry 853 200 180 160 Na [1/mm 2 ] 140 120 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 8.1r 8.2r 8.3r 8.4r 8.5r klasa BD Rys.5 Rozkład iloci wglików w klasach wielkoci na przekrojach wzdłunych odlewu próbki wytop 8 - C33Cr12 700 600 Na [1/mm 2 ] 500 400 300 200 8.1p 8.2p 8.3p 8.4p 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 klasa BD 8.5p Rys.6 Rozkład iloci wglików w klasach wielkoci na przekrojach poprzecznych odlewu próbki wytop 8 - C33Cr12 160 140 120 Na [1/mm 2 ] 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 8.3r 5.3r 4.3r klasa BD

854 A. Studnicki, M. Przybył, J. Kilarski Rys.7 Rozkład iloci wglików w klasach wielkoci na przekrojach wzdłunych odlewu próbki wytopy 4, 5 i 8 40 35 30 Vv [%] 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 klasa BD 8.3r 5.3r 4.3r Rys.8 Rozkład udziału objtociowego wglików w klasach wielkoci na przekrojach wzdłunych odlewu próbki - wytopy 4, 5 i 8 5. PODSUMOWANIE I ZALECENIA KOCOWE Stwierdzono bardzo silny wpływ szybkoci chłodzenia na wielko i kształt wydziele wglików. Ilociowym potwierdzeniem tej tezy jest analiza redniej wartoci powierzchni wglików BD (rys.9) oraz współczynnika kształtu ujmujcego stosunek szerokoci do długoci wglika BB/BL (rys.10) w funkcji odległoci od czoła próbki dla eliwa chromowego wysokowglowego (wytop 8). Analiza wartoci współczynnika kształtu na obu przekrojach modelowego odlewu potwierdza wystpowanie istotnych rónic kształtu wglików w płaszczynie wzdłunej, czyli w kierunku odprowadzania ciepła (od mocno wydłuonych przy czole próbki do zblionych do ziarnistych w okolicy centrum cieplnego). 600 C33Cr12 pole powierzchni weglików BD [ m 2 ] 500 400 300 200 BD-r BD-p 0 0 20 40 60 80 120 odległo od czoła odlewu modelowego [mm] Rys.9 Zmiana redniej wielkoci wglików na przekroju odlewu próbki wytop 8

Wpływ procesu stygnicia odlewu na wybrane parametry 855 stosunek BB/BL 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 Rys.10 Zmiana współczynnika kształtu (BB/BL) wglików na przekroju odlewu próbki wytop8 Zmieniajca si struktura na 0,4 przekroju wzdłunym odlewu 0,35 modelowego wymusza zmiany 0,3 BB/BL-r twardoci stopu. Std na rys.11 i 0,25 BB/BL-p 12 pokazano jak w eliwie 0,2 chromowym o redniej zawartoci 0 20 40 60 80 120 chromu 18%, wgiel oraz odległo od czoła odlewu modelowego [mm] szybko stygnicia wpływa na twardo i mikrotwardo osnowy. W eliwach chromowych niskowglowych zauwaa si silny wpływ szybkoci chłodzenia na te parametry. Stosowanie wic takiego eliwa na odlewy grubocienne nie jest wskazane z uwagi na konieczno zapewnienia wysokiej twardoci na całym przekroju odlewu uytkowego. Twardo [HRC] 51 49 47 45 43 41 39 37 35 0 50 150 Odległo od czoła odlew u próbki [mm] HRC(C18Cr18) HRC(C24Cr18) HRC(C33Cr18) Rys.11 Rozkład twardoci na przekroju modelowego odlewu mikrotwardo [ HV30] C33Cr12 700 650 600 550 500 450 400 350 0 50 150 Odległo od czoła odlew u próbki [mm] HV30(C18Cr18) HV30(C24Cr18) HV30(C33Cr18) Rys.4 Rozkład mikrotwardoci osnowy na przekroju modelowego odlewu

856 A. Studnicki, M. Przybył, J. Kilarski Na podstawie przeprowadzonych bada mona sformułowa nastpujce zalecenia kocowe: odlew modelowy otrzymany w próbniku z izolacj ciepln umoliwia analiz procesu stygnicia materiałów odlewniczych przeznaczonych na odlewy grubocienne, niewielki przekrój poprzeczny odlewu modelowego (φ30 mm), szczególnie w odniesieniu do materiałów twardych o duej odpornoci na cieranie ułatwia wykonanie zgładów metalograficznych (odpada uciliwe cicie grubociennych odlewów). LITERATURA 1. Studnicki A.: Badanie procesu krystalizacji odlewniczych materiałów odpornych na cieranie. Archiwum Odlewnictwa, PAN-Katowice, rocznik 2, nr 4, 2002, 2. Studnicki A., Przybył M: Analiza fazy wglikowej eliwa chromowego na przekroju modelowego odlewu. Archiwum Odlewnictwa, PAN-Katowice, rocznik 3, nr 8, 2003, 3. Badania własne Katedry Odlewnictwa Politechniki lskiej (niepublikowane).