33/11 Solidililu1tion of Metais and Alloys, No. 33, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997 PAN- Oddzial Katowice PL ISSN 0208-9386 W ADY STRUKTURY ODLEWÓW STALIWNYCH WYKONANYCH W FORMACH CERAMICZNYCH SOIŃSK.I Marek Sławomir, STRADOMSKI Zbigniew Politechnika Częstochowska Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa Streszczenie Badania struktury odlewów staliwnych wykonanych w formach ceramicznych wykazały, że w przypadku występowania w stopie nadmiernych ilości aluminium i zarazem przy wysokiej zawartości azotu oraz powolnym krzepnięciu i stygnięciu, mogą w nich wydzielić: się azotki aluminium. Prowadzi to do wystąpienia w tworzywie przełomu kamienistego, a więc bardzo istotnego obniżenia własności mechanicznych. Możliwe jest więc pojawienie się w odlewach wykonanych według technologii wytapianych modeli wad struktury właściwych dla masywnych i gruboziarnistych odlewów. WSTĘP Wprowadzenie aluminium do staliwa związane jest z koniecznością odtleniania staliwa oraz modyfikacji siarczków, celem uniknięcia wtrąceń II-go typu. W praktyce zdarzają się przypadki, że w trakcie wytapiania staliwa w piecu indukcyjnym aluminium dodawane jest do kąpieli w nadmiernych, niekontrolowanych ilościach (w celu "uspakajania" metalu). Zbyt duża zawartość aluminium, przy zarazem wysokiej zawartości azotu oraz powolne stygnięcie odlewów prowadzą do wydzielania się na
86 granicach ziarn azotków aluminium [l]. Są one przyczyną istotnego pogorszenia własności mechanicznych staliwa, głównie udamości i wytrzymałości na zginanie. Charakterystyczny dla staliwa ze zbyt wysoką zawartością aluminium i azotu przełom kamienisty pojawia się więc w przypadku masywnych odlewów i grubolaystalicznej struktury tworzywa. Zawartość azotu w staliwie nie przekracza zazwyczaj 0,012%; więcej azotu (do 0,025%) może wystąpić w staliwie żaroodpornym, żarowytrzymałym i nierdzewnym. Takie dodatki stopowe jak wanad, niob, chrom, tantal, mangan i molibden, wpływają na podwyższenie rozpuszczalności azotu w ciekłym żelazie [2]. Ilość azotu w staliwie zależy także od rodzaju procesu stalowniczego, np. przy wytapianiu metalu w kwaśnych piecach indukcyjnych wynosi ona 0,010 + 0,012 %; wzrost zawartości azotu o około 20% następuje w trakcie spustu i zalewania do form [l]. Z uwagi na niebezpieczeństwo wystąpienia przełomu kamienistego konieczne staje się ograniczenie ilości aluminium w tworzywie. Wykresy podające dopuszczalne ilości aluminium w staliwie w zależności od ilości azotu zawartego w metalu podano m.in. w pracy [1]. S.Stachura [3] uważa, że przy zawartości azotu 0,01% aluminium w ilości do 0,08% zabezpiecza przed wydzielaniem AlN z fazy ciekłej; dwukrotnie wyższa zawartość azotu obniża dopuszczalną zawartość Al do 0,04%. W przypadku odlewów wykonywanych według technologii WYtapianych modeli, a więc zazwyczaj drobnych i o niewielkim cięz:lu"ze, często przyczyną wad są mikroporowatości [4]. Można tutaj mówić o porowatości gazowej (powstającej najczęściej w wyniku reakcji chemicznych kąpieli metalowej z tworzywem formy) i mikrorzadziznach skurczowych. Okazuje się jednak, że i w technologii wykonywania odlewów w formach ceramicznych możliwe jest - przy równoczesnym wystąpieniu kilku niekorzystnych czynników - zaistnienie zjawisk typowych dla odlewów masywnych i wystąpienie wad struktury właściwych dla takich odlewów. BADANIA WLASNE Przedmiotem badań były odlewy o wysokich wymaganiach jakościowych (tak odnośnie dokładności wymiarowej i gładkości powierzchni, jak i parametrów wytrzymałościowych). Wykonano je ze staliwa niskostopowego. Tworzywo odlano do
87 fonn wykonanych według technologii wytapianych modeli. Grubość ścianek fonn wyniosła około 10 mm (7 warstw). Ciężar odlewów wynosił około 9 kg, a układów wlewowych około 5 kg. Grubość ścianek odlewu mieściła się w granicach od 18 do 40 mm. Staliwo wytopiono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości i odlano do fonn z temperatury 1650-1680 C. Należy dodać, że autorzy nie mieli możliwości ingerowania w sposób przeprowadzenia wytopów. Fonny <:eramiczne, umieszczone w metalowych pojemnikach i obsypane szamotem (dla zabezpieczenia przed zniszczeniem wskutek działania ciśnienia metalostatycznego), wypalono w temperaturze 900 - I000 C. Badane odlewy pochodziły z serii odlanych do form bezpośrednio po wyjęciu ich z pieca (większość odlewów wykonar1o w formach ostudzonych do temperatury 150-200 C). Odlewy podlegały ulepszaniu cieplnemu tzn. hartowaniu (w oleju, z temperatury 860 C) i odpuszczaniu (w tt.mperaturze 500 C). Odbiór odlewów obejmował badania nieniszczące magnetyczne oraz poddanie ich dwu rodzajom obciążeń (odpowiadającemu obciążeniu roboczemu oraz - dla pewnej ich części - obciążeniu kilkakrotnie je przekraczającemu). Próby obciążenia wykazały, że odlewy ulegają zniszczeniu już poniżej obc:iążeń roboczych. Na rysunku l pokazano przełom zniszczonego elementu. Obok grubokrystalicznej struktury,,słupkowej" wyraźnie widoczna jest granica zetknięcia warstw krystalitów. Uwagę zwraca morfologia przełomu, w którym, oprócz pęknięć w płaszczyźnie prostopadłej do siły obciążającej, występują stosunkowo duże, płaskie, pionowe pęknięcia biegnące przez front transkrystalizacji. Grubokrystaliczna struktura potwierdzona została w trakcie obserwacji makroskopowych (rys. 2). Badania przy użyciu mikroskopu skaningowego potwierdziły kruchy, głównie międzydendrytyczny charakter pęknięć z wyraźnie ukształtowanymi ramionami dendrytów (rys. 3). Miejscami przełom ma charakter typowy dla przełomu kamienistego z dużymi płaskimi ściank~uni pokrytymi płytkowymi wydzieleniami azotków aluminium (rys. 4). W obszarze transkrystalizacji obserwuje się występowanie wyraźnych nieciągłości - niespójności frontów krystalizacji (rys. 5).
88 Z uwagi na powolne krzepnięcre i styg nięcie odlewów za celowe uzrwn o okreś leni e zawartości szeregu pierwiastków, zarówno w warstwie przypowierzchniowej, Jak 1 w ś rodkowej części odlewu (miała ona grubość około 20 mm ). W tablicy l podano wyniki anali zy chemicznej Rys. l. Przełom zni szczonego elementu : pow. L2x Rys. ' Strukt ura dendrytyczna staliwa ujawniona odczynnikiem Oberhoffera: pow. 20x, zmniejszenie lini owe O.:'i x
89 Rys. 3. Mię dzydend 1ytyczny charakter Rys. 4. Plytkowe wydzielenia azotków pęknięć. Mikroskop skaningowy alum inium. Mikroskop skaningowy Rys. 5. Nieciąg łoś ci na styku frontów k1ystalizacji z widocznymi wtrącenia mi niemetalicznymi. Mikroskop skaningowy Tab lica l. Skład chemiczny staliwa MieJsce Zm1 arto.\i" li ' % ll'ag hadanta c M n S i p s Cr Ni warstwa przypowierzc hniowa 0,09 0,47 0,.'\2 0,026 0,026 U4 2.02 ś rodek ścianki 0,34 0,.'\5 0,43 0,022 0.018 1, 11 2.04 C u Mo Al""" AliliCI Al;n N T i warstwa O, 18 0.59 0.151 0.067 0.083 0.0 18 0. 003 przypowierzchniowa -~ ś rodek ścianki O, 17 0,.'\4 0,271 0.184 0.087 0.041 0.00.'
90 Na uwagę zasługuje bardzo wysoka zawaliość aluminium, kilkakrotnie przekraczająca dopuszczalną ilość, znaczna zawmiość azotu oraz bardzo silna segregacja wymienionych pierwiastków i węgla. Ten ostatni pierwiastek wystąpił w środkowej części ścianki w ilościach prawie czterokrotnie wy<~szych, aniżeli w warstwie przypowierzchniowej. Podobne zależności, choć w mniejszej skali, odnoszą się także do aluminium. Znaczne ilości zarówno aluminium, jak i azotu pozostają w bardzo wyraźnym związku z występującymi w strukturze staliwa licznymi płytkowymi wydzieleniami AlN. PODSUMOW ANIE Niewłaściwe przeprowadzenie wytopu staliwa, głównie przedawkowanie aluminium, nadmieme zawaliości azotu w tworzywie (związane m.in. z technologią procesu stalowniczego), a także zbyt wysoka temperatura fonn ceramicznych powodują wystąpienie w stosunkowo niewielkich odlewach wad stmktury, typowych dla grubościennych, wolno stygnących odlewów, czy też wlewków. Nawet w ściankach o gmbości około 20 mm może wystąpić przełom kruchy, o charakterze przełomu kamienistego, inicjowany dużymi, płytkowymi wydzieleniami azotków aluminium. Wymienione wady struktu1y pierwotnej w najmniejszym stopniu, jak wykazały wykonane badania, nie zostały us u nięte przez zabieg obróbki cieplnej, polegającej na hartowaniu oraz wysokim odpuszczaniu. LITERATURA [l] Roesch K., Zimme1mann K.: Stahlguss. Verlag Stahleisen m. b. H., Dlisseldorf 1966. [2] Kniaginin G.: Staliwo. Metalurgia i odlewnictwo. Wyd.,,Śląsk", Katowice 1972. [3] Stachura S.: Wamnki i mechanizm powstawania przełomu kamienistego w staliwie konstmkcyjnym. Zesz. Naukowe Politechniki Częstochowskiej, Nr l l 3, Nauki Techniczne- Hutnictwo Nr 14, Częstochowa 1980. [4] Ott D.: Mikroporosirat beim Feinguss nach dem Wachsausschmelzve1fahren. Metali. Nr 10 (1994), str. 770-774.