14/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY ŻELIWA SFEROIDALNEGO W ODLEWACH PŁYTEK O ZRÓŻNICOWANEJ GRUBOŚCI E. GUZIK 1, K. KUKUŁKA 2 Wydział Odlewnictwa, Akademii Górniczo Hutniczej, ul. Reymonta 23 30-059 Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury ferrytycznego żeliwa sferoidalnego w odlewach płytek o różnej grubości ścianek. Ustalono zależność między liczbą ziaren eutektycznych (kulek grafitu), udziału ferrytu w strukturze odlewów płytek o grubościach od 0,3 do 4,0 cm. Liczba ziaren eutektycznych zmniejsza się, natomiast udział ferrytu w strukturze zwiększa się w miarę zwiększania grubości odlewu płytki. W odlewach płytek o grubości ścianki powyżej 3,0 cm obserwuje się w strukturze 95 % ferrytu. Określono liczbę ziaren eutektyki grafitowej w zależności od stopnia przechłodzenia, którą przedstawiono w postaci równania: N v = 48226 ( T) 2. Key words: ductile iron, grain density, nodule count 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne, z wydzieleniami grafitu kulkowego jest stopem odlewniczym, wykazującym w krajach rozwiniętych największe tempo rozwoju. Udział odlewów z żeliwa sferoidalnego w ogólnej produkcji odlewniczej, a w szczególności w produkcji odlewów ze stopów żelaza, stanowi niewątpliwie jeden z najbardziej uznawanych wskaźników nowoczesności odlewnictwa oraz tych gałęzi przemysłu, dla których są istotnymi elementami wyrobów końcowych, przede wszystkim zaś przemysłu maszynowego. Z punktu widzenia konstruktorów maszyn, żeliwo sferoidalne wypełnia szeroki zakres właściwości mechanicznych ujętych (wg PN EN 1563) dziewięcioma gatunkami: od żeliwa o dużej wytrzymałości i niewielkiej plastyczności, 1 dr hab. inż., Prof. AGH, guz@uci.agh.edu.pl 2 mgr inż., kukul@uci.agh.edu.pl
charakteryzującego się osnową bainityczną lub martenzytyczną poprzez żeliwo o osnowie perlitycznej, perlityczno ferrytycznej i ferrytycznej o dużej plastyczności i dość jeszcze znacznej wytrzymałości. Technologia wytwarzania odlewów żeliwnych, polega w pewnym uproszczeniu, na doborze odpowiedniego składu chemicznego metalu, jego temperatury przegrzania i odlewania, ustaleniu kształtu i wymiarów formy wraz z naddatkami technologicznymi oraz materiału na formę odlewniczą. Poprzez zmianę tych czynników ingeruje się w kinetykę krystalizacji metalu (proces zarodkowania i wzrostu ziaren eutektycznych) a tym samym jego strukturę, a w konsekwencji i właściwości użytkowe. Na początku krystalizacji, dominuje proces zarodkowania ziaren eutektycznych, który prowadzi do ustalenia końcowej liczby ziaren eutektyki w odlewie z żeliwa sferoidalnego. Na liczbę ziaren eutektyki globularnej w żeliwie (liczba kulek grafitu), w znaczący sposób wpływa skład chemiczny metalu, rodzaj i ilość zużytego sferoidyzatora i modyfikatora, a także szybkość chłodzenia odlewu [1,2]. Celem niniejszych badań jest uchwycenie zmiany mikrostruktury żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej, np. gatunku PN EN 400 15 (określanego zazwyczaj wg EN ISO względem wlewka wytrzymałościowego standardowego, osobno odlewanego), pod względem charakterystyki wydzieleń grafitu (liczba i średnia średnica kulek) i osnowy metalowej w odlewie płytek o grubościach od 0,3 do 4,0 cm (w przybliżeniu uchwycenia wpływu szybkości chłodzenia, wyrażonego grubością ścianki odlewu). 2. METODYKA BADAŃ Ze względu na stabilizację procesu topienia i sferoidyzowania żeliwa (zbliżona zawartość Mg w żeliwie), wytopy przeprowadzono w Odlewni GZUT Gliwice, która wykorzystuje do procesu sferoidyzacji żeliwa metodę przewodu elastycznego, umownie nazywaną w literaturze techniką PE [3,4]. Jako jednostkę topiącą wykorzystuje się piec indukcyjny średniej częstotliwości o pojemności tygla 1 Mg. Sposób przeprowadzenia wytopu jest następujący: po roztopieniu wsadu w piecu, metal zostaje przegrzany do temperatury 1490 1500 o C, następnie pobierana jest próbka do badań składu chemicznego. Po jego określeniu i ewentualnym uzupełnieniu składników do wymaganego składu żeliwa, następuje spust metalu do kadzi smukłej, podczas którego zostaje wprowadzona na strugę metalu pierwsza porcja modyfikatora, a następnie transportuje się kadź na stanowisko sferoidyzowania, z zastosowaniem przewodu elastycznego. Za pomocą podajnika sterowanego numerycznie wprowadzano do ciekłego metalu określoną długość przewodu sferoidyzującego. Temperatura ciekłego metalu bezpośrednio przed zabiegiem sferoidyzowania wynosiła około 1450 o C. Po przeprowadzeniu zabiegu sferoidyzowania żeliwa usuwano żużel z powierzchni lustra metalu, zagęszczając go stosownym reagentem typu Remos, a następnie wprowadzano drugą porcję modyfikatora, przeprowadzając tzw. modyfikację wtórną. Do przeprowadzenia wytopu w piecu średniej częstotliwości stosowano następujące materiały wsadowe: Surówka specjalna do żeliwa sferoidalnego z Huty Szczecin
zawierająca: C 4,35 %; Si 0,95 %; Mn 0,08 %; P 0,06 %; S 0,16 %; złom obiegowy własny (z żeliwa sferoidalnego ferrytycznego); złom stalowy szyny; żelazokrzem FeSi75 Do zabiegu sferoidyzowania żeliwa wykorzystywano przewód elastyczny typu M 20713 firmy SKW, zawierający: 57 g Mg / mb,133 g Si / mb, 28 g pierwiastków ziem rzadkich /mb. Z kolei do zabiegu modyfikowania żeliwa sferoidyzowanego przewodem elastycznym zastosowano modyfikator typu SMW 605. Do przeprowadzenia badań wpływu szybkości chłodzenia na mikrostrukturę odlewu z żeliwa sferoidalnego wykonano specjalny zestaw modelowy odtwarzający płytki o wymiarach 10,0 cm x 10,0 cm i grubościach, odpowiednio: 0,3; 0,8; 1,0; 1,6; 2,2; 2,8; 3,5 i 4,0 cm, a przestrzenne rozłożenie poszczególnych płytek, względem układu doprowadzającego metal, pokazano na rys.1. Rys. 1. Przestrzenne rozłożenie poszczególnych płytek względem układu wlewowego Fig.1. Snapshot of a screen of plate castings Ciekły metal zalewano do formy piaskowej odtwarzającej osiem płytek o różnej grubości. W środkowych częściach wnęki formy sześciu płytek (1,0 4,0 cm) zostały umieszczone centralnie cienkościenne rurki kwarcowe o średnicy zewnętrznej 0,3 cm, do których wprowadzono termoelementy wykonane z drutu PtRh10 Pt przeznaczone do pomiaru i rejestracji zmian temperatury poszczególnych płytek w czasie ich krzepnięcia i stygnięcia. Do pomiaru i rejestracji temperatury wykorzystano uniwersalny miernik firmy Hewlett Packard typu HP 34970 A. Urządzenie to umożliwia rejestrowanie wyników pomiarów w wewnętrznej pamięci, a następnie za pomocą specjalistycznego oprogramowania wczytanie danych do komputera w celu ich dalszej obróbki. Podczas wytopów aparat HP 34970A współpracował z komputerem przenośnym TOSHIBA 220 CX, który umożliwił rejestrację zmian temperatury metalu w poszczególnych grubościach odlewów, szczególnie uchwycenia w początkowym
etapie procesu zarodkowania, najniższej temperatury przemiany eutektycznej, umożliwiającej wyznaczenie maksymalnego stopnia przechłodzenia T. Badania metalograficzne przeprowadzono na próbkach wyciętych ze środkowych części odlewów płytek w pobliżu usytuowania termoelementu. Do tego celu wykorzystano mikroskop optyczny typu Leica MEF 4 M, a badania obejmowały ocenę charakterystyki grafitu i osnowy metalowej oraz przeprowadzono obróbką statystyczną, z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania, co pozwoliło na zliczanie liczby i średnicy wydzieleń grafitu oraz określenie współczynnika kształtu grafitu R według zależności: 2 O R 4 Spow 1.064 (1) gdzie: O obwód, S pow - pole powierzchni, 1.064 współczynnik korekcyjny. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Po przeprowadzeniu zabiegu sferoidyzowania i modyfikowania grafityzującego żeliwa, odlewano zarówno formę odtwarzającą wlewek wytrzymałościowy jak i formę odtwarzającą płytki o założonych grubościach, w których zamontowano centralnie termoelementy do pomiaru zmian temperatury (z przyczyn technicznych nie umiejscowiono termoelementów w płytkach o grubości 0,3 i 0,8 cm). Przebieg krzywych krzepnięcia i stygnięcia odlewów pokazano na rys.2. Wyniki badań metalograficznych próbek żeliwa pobranych z płytek, z bliskiego obszaru umiejscowienia termoelementów, zestawiono w tabeli 1 oraz pokazano wykreślnie na rys. 3 i 4, natomiast na rysunku 5 przedstawiono mikrostrukturę żeliwa sferoidalnego w poszczególnych płytkach. Otrzymane żeliwo sferoidalne, przy zużyciu 0,4% modyfikatora w stosunku do masy metalu, miało następujący skład chemiczny: C = 3,51%; Si = 2,76%; Mn = 0,14%; P = 0.04%; S=0,01%; Mg=0,046%. Badania wytrzymałościowe wykonane na próbce pobranej z wlewka wytrzymałościowego wykazały, iż otrzymano następujące wartości; R m = 446 MPa, A 5 = 20,8% oraz twardość HB = 152 jednostek, zatem zgodnie z normą EN-ISO uzyskano żeliwo sferoidalne gatunku EN-GJS-400-15. Z analizy danych dotyczących; liczby ziaren przypadających na jednostkę powierzchni, średnicy wydzieleń grafitu i udziału ferrytu w osnowie wynika, że wartości tych parametrów zmieniają się w zależności od grubości odlewu. W miarę zwiększania grubości odlewu płytki, zmniejsza się liczba ziaren (kulek grafitu), zwiększa się długość wydzieleń grafitu (parametr statystyczny oprogramowania, w naszym przypadku utożsamiana ze średnicą kulki grafitu) i udział ferrytu w osnowie metalowej. Znajomość wartości minimalnej temperatury przemiany eutektycznej na krzywej stygnięcia, w drugim okresie krystalizacji eutektyki globularnej [2], pozwala wyznaczyć maksymalny stopień przechłodzenia żeliwa, jako różnicy równowagowej
i rzeczywistej temperatury krystalizacji eutektyki, zaś pierwszą temperaturę równowagową wyznaczono z zależności [1]: T e, równ = 1427,6 5,25 Si 14,88 P (2) Tabela 1. Parametry badań metalograficznych odlewów płytek z żeliwa sferoidalnego Table 1. The parameters of microstructure for plate ductile cast iron castings Grubość płytki, cm 0,3 0,8 1,0 1,5 2,2 2,8 3,5 4,0 Liczba ziaren N, cm 2 (x10 4 ) 4,647 2,443 2,467 1,869 1,506 1,494 1,500 1,459 Przechłodzenie T, K - - 14,2 12,6 11,0 9,9 9,4 9,4 Liczba ziaren N v, cm 3 (x10 6 ) 26,9479 10,2760 10,4239 6,8755 4,9720 4,9137 4,9428 4,7416 Udział ferrytu, % Liczbę ziaren w jednostce objętości żeliwa N v, przy wyznaczonej liczbie tych ziaren na jednostkę powierzchni N, wyznaczono z zależności [5]: 3 3 2 N 2,69 N 2 N v (3) 6f c gdzie: f c udział objętościowy węgla = (13,8) -1 20 30 50 80 90 95 95 95 Rys. 2. Przebieg krzywych krzepnięcia i stygnięcia żeliwa sferoidalnego w płytkach o różnej grubości ścianki Fig.2. Cooling and solidification curves for plate ductile cast iron castings
Rys. 3.Współczynnik kształtu grafitu oraz liczba ziaren eutektyki globularnej (kulek grafitu) w odlewach płytek o różnej grubości ścianki Fig.3. A shape factor of the graphite R and nodule count N with plate ductile cast iron castings Rys. 4. Wielkość średnicy kulki grafitu oraz udział ferrytu w strukturze żeliwa sferoidalnego w poszczególnych grubościach odlewów płytek Fig.4. The graphite diameter and the volume fraction ferrite with plate ductile iron castings
a) b) c) d) e) f) g) h) Rys. 5. Mikrostruktury otrzymane w płytkach o różnej grubości ścianki [cm]: a) 0,3; b) 0,8; c) 1,0; d) 1,6; e) 2,2; f)2,8; g) 3,5; h) 4,0 Fig.5. Microstructure in the plates make of ductile cast iron
12 10 8 6 4 N = 48226( T) 2 R = 0.96 N = 55100( T) 1.948 R = 0.99 Liczba ziaren, N v, 1/cm 3 x 10 6 2 0 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 Przechłodzenie T, K Rys. 6. Zależność liczby ziaren w jednostce objętości w zależności od wartości stopnia przechłodzenia Fig. 6. Dependence of the number of density grains on the undercooling Liczbę zarodków, a tym samym liczbę ziaren eutektyki grafitowej w żeliwie można wyznaczyć z teorii zarodkowania homogenicznego i heterogenicznego podanych przez Frasia [1,2,6] oraz innych teorii zestawionych w pracach [7,8]. W naszym przypadku wartości liczby zarodków N v i stopnia przechłodzenia T związano statystycznie, wg ogólnej zależności N v = a ( T) n, uzyskując następujące równania (R 2 współczynnik korelacji): N v = 48226 ( T) 2, R 2 = 0,96 (4) oraz N v = 55100 ( T) 1,95, R 2 = 0,99 (5) Zależności (4) i (5) przedstawiono w sposób wykreślny na rys. 6, przy czym założony w obliczeniach, a priori, wykładnika n = 2 daje zbliżone wartości obliczonej liczby ziaren jak w wyznaczonym ogólnym statystycznym równaniu (5). Tak więc zależność (4) pozwala w dobrym stopniu wyznaczyć liczbę kulek grafitu (zarodków, ziaren), przy znajomości stopnia przechłodzenia, związanego z grubością płytki odlewu. Należy zaznaczyć, że w strukturze może występować pewna liczba kulek grafitu przedeutektycznego, bowiem skład żeliwa jest nieco przesunięty względem strefy sprzężonego wzrostu eutektyki grafitowej. Reasumując należy stwierdzić, że dla danych warunków sferoidyzowania i modyfikowania żeliwa można prognozować, w pewnym uproszczeniu (w rzeczywistości występuje wzajemne oddziaływanie różnych grubości ścianek występujących w odlewie), rodzaju uzyskiwanej mikrostruktury pod względem liczby i średnicy kulek grafitu oraz rodzaj osnowy metalowej w danych grubościach ścianki odlewu. Należy pamiętać, że dany gatunek żeliwa sferoidalnego jest określany
najczęściej na podstawie badań mechanicznych próbki wykonanej z wlewka wytrzymałościowego, którego dolna część ma standardową grubość ścianki, a w ściankach o innych grubościach występuje inny rodzaj mikrostruktury żeliwa. Liczbę ziaren grafitu w jednostce objętości w zależności od maksymalnego stopnia przechłodzenia można wyznaczyć z zależności (4 ). LITERATURA [1] E. Fraś: Krystalizacja metali i stopów. PWN, Warszawa (1992). [2] E. Fraś: Teoria związku między przechłodzeniem, a liczbą ziaren eutektyki globularnej. Krzepnięcie metali i stopów PAN. Odd. Katowice, 36, (1998), 19-26. [3] E. Guzik, M. Porębski, M. Asłanowicz: Using cored wire injection method in the production of vermicular and nodular cast iron. Acta Metallurgica Slovaca, 5, (1999), 297-301. [4] Praca naukowo-badawcza nr 5.170.34, nt. Opracowanie technologii wytwarzania żeliwa sferoidalnego przy użyciu przewodu elastycznego w Odlewni GZUT w Gliwicach". AGH Kraków, 1997 (praca nie publikowana). [5] Ch. Charbon, M. Rappaz: 3D Stochastic modelling of nodular cast iron solidification. Physical Metallurgy of Cast Iron V. Sc. Publ. Switzerland, (1997), 453-460. [6] E. Fraś, H.F. Lopez; A generalized theory of the chilling tendency of cast iron. AFS Transactions, 101, (1993), 355-363. [7] W. Kapturkiewicz: Model i numeryczna symulacja krystalizacji odlewu. Zeszyty Naukowe AGH Metalurgia i Odlewnictwo, 119, Kraków, (1988), 1-82. [8] D.M. Stefanescu: Methodologies for and perfomance of micro transport transformation kinetics modeling of cast iron. Physical Metallurgy of Cast Iron V. Sc. Publ. Switzerland, (1997), 89-104. CONTROLLING THE MICROSTRUCTURES IN THE PLATES MAKE OF DUCTILE IRON SUMMARY The paper presents a microstructure grain density and ferrite matrix ductile iron on different casting thickness. The experimental results regarding the section effect demonstrate that nodule count, grain density, ferrite content are function of plate casting sections thickness from 0,3 to 4,0 cm. Nodule count (or grain density) increases white ferrite content decreases as the casting sections thickness is decreased. A fully ferrite (about 95%) content in the structure can be achieved only when casting thickness is raised to 4,0 cm. The number of the density of grains N v is related (by using regression analysis) to the undercooling T by: N v = 48226( T) 2. Recenzował Prof. Stanisław Jura