37/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 UDARNOŚĆ ŻELIWA SFEROIDALNEGO FERRYTYCZNO-PERLITYCZNEGO M. S. SOIŃSKI 1, R. MUZYKA 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Katedra Odlewnictwa, Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań udarności żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytyczno-perlitycznej (z udziałem perlitu do około 20%). Badania przeprowadzono na próbkach wyciętych z wlewków próbnych w stanie lanym, w zakresie temperatur od 20 C do -70 C. Stwierdzono m.in., że udarność żeliwa w temperaturze otoczenia wynosi ok. 12J, w temperaturze -20 C spada do 6 8J, a w temperaturze -70 C osiąga wartość około 4 J. Keywords: nodular cast iron, impact resistance 1. WPROWADZENIE W Polskiej Normie, obejmującej żeliwo sferoidalne (PN-EN 1563: Odlewnictwo. Żeliwo sferoidalne), ujęte są dwa gatunki, które mogą podlegać odbiorowi w te m- peraturach obniżonych. Jest to żeliwo EN-GJS-400-18-LT z wymaganą minimalną udarnością w temperaturze -20 C na poziomie 12J (jako wartością średnią z trzech prób), względnie 9J (w przypadku wartości pojedynczej) oraz żeliwo EN-GJS-350-22- LT charakteryzujące się minimalną udarnością także na podanym poziomie. Próbki z tego ostatniego stopu muszą się jednak cechować nią w temperaturze -40 C. Na odlewy do pracy w temperaturach obniżonych stosunkowo często stosuje się żeliwo sferoidalne o osnowie ferrytycznej w stanie lanym. Uzyskanie odpowiednio wysokich właściwości plastycznych przez takie żeliwo wymaga utrzymania s kładu chemicznego tworzywa w ściśle określonych granicach [1-4]. Bardzo duże znaczenie 1 dr hab. inż., prof. P. Cz 2 mgr inż. 295
ma wystąpienie osnowy praktycznie czysto ferrytycznej, choć spełnienie tego wymogu nie zawsze zapewnia osiągnięcie założonego celu. W praktyce często okazuje się, że próby wytworzenia żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznej w stanie lanym nie dają zadawalających rezultatów i w osnowie występuje perlit. W takim przypadku odlewy poddaje się wyżarzaniu ferrytyzującemu, po którym tworzywo na ogół uzyskuje pożądaną plastyczność. Istotne wydaje się określenie i to w stosunkowo szerokim zakresie temperatur udarności żeliwa, które wytwarzano przy założeniu, że będzie to żeliwo sferoidalne o osnowie ferrytycznej w stanie lanym, a w osnowie którego wystąpił jednak choć stosunkowo niewielkich ilościach perlit. Na ogół brak tego rodzaju danych, ponieważ po badaniach struktury takiego żeliwa jest ono poddawane wyżarzaniu ferrytyzującemu i nie prowadzi się dalszych badań nad stopem, który zostanie poddany obróbce cieplnej. Udarność żeliwa sferoidalnego, tak zresztą, jak i szeregu innych tworzyw metalicznych, zmniejsza się wraz z obniżeniem temperatury. Należy podkreślić, że zmianom udarności żeliwa w miarę obniżania temperatury badań mogą towarzyszyć nagłe spadki i wzrosty badanego wskaźnika [5, 6]. 2. BADANIA WŁASNE Celem badań było określenie udarności żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytyczno-perlitycznej w stanie lanym, wytworzonego w jednej z krajowych odlewni. Żeliwo sferoidyzowano metodą dzwonową przy użyciu zaprawy VL53M. Stop poddano modyfikacji grafityzującej przy użyciu modyfikatora SB-5 w trakcie przelewania metalu z kadzi smukłej do kadzi bębnowej. Z żeliwa odlano, w formach piaskowych, wlewki próbne w kształcie litery Y. Grubość, wysokość i długość części badawczej wlewków próbnych wynosiły odpowiednio 25, 40 i 250mm. Skład chemiczny badanego żeliwa podano w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa Table 1. Chemical composition of the examined cast iron Pierwiastek C Mn Si P S Cr Ni Cu Mg Ti Zawartość w % 3,46 0,12 2,24 0,032 0,012 0,03 0,02 0,01 0,058 0,02 W celu umożliwienia oceny ewentualnych związków pomiędzy miejscem p o- brania próbek z części badawczej wlewków próbnych, a strukturą żeliwa oraz udarn o- ścią, dolne części wlewków podzielono na trzy warstwy tej samej wysokości. Ponadto zróżnicowano położenie próbek na środkowe i boczne (rys. 1). Wyniki badań metaloznawczych, przeprowadzonych na sześciu próbkach (p o- branych zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 1), podano w tabeli 2. 296
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 1. Schemat pobierania próbek do badania udarności z części badawczej wlewków próbnych Fig. 1. Pattern of taking specimens for the impact strength measuring from research part of the control samples Tabela 2. Ocena osnowy oraz wydzieleń grafitu występujących w badanym żeliwie Table 2. Assessment of the matrix and graphite precipitates in examined cast iron Lp. Miejsce pobrania próbki Ocena ilości perlitu oraz ferrytu Cechy wydzieleń grafitu warstwa położenie wg PN-75/H-04661 wg PN-EN ISO 945 1 1 środek P0Fe VI A 6/7 2 1 bok P6Fe94 VI A 7 3 2 środek P20Fe80 VI A 6 4 2 bok P6Fe94 VI A 6 5 3 środek P20Fe80 VI A 5 6 3 bok P6Fe94 VI A 6 Mikrostrukturę badanego żeliwa, określoną na próbkach pochodzących z ró ż- nych miejsc części badawczej wlewka próbnego, pokazano na rysunku 2. Badania udarności żeliwa przeprowadzono w zakresie temperatur od 20ºC do - 70ºC, różnicując temperatury badań co 10K. Do pracy użyto 120 próbek (typu Cha r- py ego) z 10 wlewków, po 12 próbek dla każdej z rozpatrywanej temperatur. Badania udarności w temperaturze pokojowej wykonano zgodnie z normą PN- EN 10045-1: 1994 Metale. Próba udarności sposobem Charpy ego. Metoda badania., a w temperaturach obniżonych zgodnie z zaleceniami normy PN-79/H-04371 Metale. Próba udarności w obniżonych temperaturach. Chłodzenie próbek żeliwnych do temperatury -20ºC przeprowadzono przy użyciu zamrażarki, a w temperaturach niższych zastosowano mieszaninę oziębiającą złożoną z alkoholu metylowego i ciekłego azotu. 297
Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa określona na próbkach pobranych z różnych miejsc wlewka próbnego; a) warstwa 1 środek, b) warstwa 1 bok, c) warstwa 2 środek, d) warstwa 2 bok, e) warstwa 3 środek, f) warstwa 3 bok. Zgłady trawione nitalem, pow. 100 Fig. 2. Microstructure of cast iron determined on specimens taken from different places of the control sample; a) layer 1 centre, b) layer 1 side, c) layer 2 centre, d) layer 2 side, e) layer 3 centre, f) layer 3 side. Nital etched, magn. 100 Na rysunku 3 przedstawiono zmiany udarności żeliwa w rozpatrywanym zakresie temperatur, uwzględniając także miejsca pobrania próbek z wlewków bada w- czych. 298
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 3. Związek między temperaturą badań a udarnością żeliwa Fig. 3. Relation between the temperature and the impact strength 3. PODSUMOWANIE Wyniki badań metaloznawczych (tab. 1; rys. 2) wskazują, że w badanym żeliwie wystąpił grafit kulkowy (tzn. o kształcie VI według normy PN-EN ISO 945) o wielkości wydzieleń 5 do 7. Ocena osnowy dowodzi, że można mówić o tendencjach do zwiększania się ilości perlitu w miarę oddalania się od spodniej części wlewka próbnego i przybliżania się do nadlewu. Na podstawie wyników badań udarności w zakresie temperatur od 20ºC do - 70ºC można stwierdzić, że w przypadku żeliwa sferoidalnego o osnowie ferrytycznoperlitycznej w stanie lanym (z udziałem perlitu do około 20%) najwyższymi wartościami tego parametru i to praktycznie w całym rozpatrywanym zakresie temperaturowym cechują się próbki pobrane z warstwy 1 części badawczej wlewka pró bnego. Zmniejszanie się udarności żeliwa w miarę oddalania się od spodniej części wlewka próbn e- go zdaje się być skorelowane z tendencjami do zwiększania się udziału perlitu w osn o- wie żeliwa. Analiza statystyczna, przeprowadzona z użyciem testu Dixona [7], nie przedstawiona bliżej w pracy, wykazała, że średnie wartości udarności, określone na pró b- kach pobranych z warstwy 1 i warstwy 2, różnią się istotnie w temperaturach 10ºC, - 30ºC, -40ºC i -70ºC. W przypadku próbek pobranych z warstwy 2 i 3 istotne różnice wystąpiły jedynie w temperaturach 0ºC i -60ºC. Najbardziej znaczące różnice pomiędzy średnimi wartościami udarności, co wyraźnie wynika z danych przytoczonych na rysunku 3, wystąpiły w przypadku udarności próbek pobranych z warstw 1 i 3. Hipoteza 299
o równych średnich została odrzucona we wszystkich rozpatrywanych temperaturach, za wyjątkiem temperatury -20ºC. Należy dodać, że w niektórych temperaturach (10ºC, -30ºC) udarność żeliwa określona na próbkach pobranych z warstwy 1 jest większa od udarności żeliwa określonej na próbkach pochodzących z warstwy 3 nawet o około 100%. Generalnie należy zauważyć, że udarność badanego żeliwa była stosunkowo niska. Wynosiła ona średnio w temperaturze otoczenia około 12J, spadając w temperaturze -20ºC do około 7J i w temperaturze -70ºC do około 4J. Przy przyjęciu kryterium udarności w temperaturze -20ºC na poziomie 12J, wymaganej dla żeliwa EN- GJS-400-18-LT (jako wartości średniej z trzech prób) rozpatrywane żeliwo nie odp o- wiada wymogom stawianym temu żeliwu. Niemniej należy zauważyć, że udarność żeliwa określona w temperaturze -20ºC na dwóch próbkach pochodzących ze środka, ale jedynie w przypadku warstwy 1, była rzędu 10J. LITERATURA [1] Podrzucki C.: Żeliwo, Struktura, właściwości, zastosowanie T. 2. Wyd. ZG STOP, Kraków 1991. [2] Soiński M. S., Mitko M., Tomczyński S., Szczerba J., Gołąbek E.: Żeliwo sferoidalne do pracy w obniżonych temperaturach. Acta Metallurgica Slovaca t.8, 2002, Nr. 2/2002 (2/2), s. 28 32. [3] Soiński M. S., Mitko M., Tomczyński S, Bronik Ł.: Udarność żeliwa sferoidalnego ferrytycznego. Archiwum Odlewnictwa, Wyd. PAN-Katowice, t.4, 2004, Nr 11, s. 190 195. [4] Jakovlev M. I., Pestov E. S., Andreev A. D.: Chladostojki čugun s šarovidnym grafitom. Litejnoe Proizwodstwo 2001, Nr. 3, s. 6 7. [5] Siefer W.: Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit von Gußeisen mit K u- gelgraphit GGG-40.3. Giesserei t. 78, 1991, Nr. 7, s. 270 272. [6] Siefer W.: Temperaturabhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit von Gußeisen mit K u- gelgraphit GGG-40.3. Giessereiforschung t. 43, 1991, Nr. 1, s. 25 36. [7] Volk W.: Statystyka stosowana dla inżynierów. Warszawa, WNT 1973. 300 IMPACT STRENGTH OF PEARLITE FERRITIC NODULAR CAST IRON SUMMARY In the paper the results of the impact strength of cast iron with the pearliteferritic matrix (with up to 20% of pearlite) research were shown. The specimens, cut from as-cast control samples, were examined in temperature range 20ºC to -70ºC, changed every 10K. The impact strength of cast iron in ambient temperature is about 12J, in temperature -20ºC falls to 6 8J, and in temperature -70ºC is about 4J. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik