18/12 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 24, Rocznik 4, Nr 12 Archives of Foundry Year 24, Volume 4, Book 12 PAN Katowice PL ISSN 1642-538 ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA ŻELIWA SFEROIDALNEGO T. SZYKOWNY 1, J. SZCZUTKOWSKI 2 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno Rolnicza w Bydgoszczy, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE Miedziowe żeliwo sferoidalne ferrytyzowano dwustopniowo. Próbki o grubości 3mm walcowano na zimno ze zgniotem 2, 4, 6, 8%, a następnie wyżarzano w temperaturze 45, 5, 55, 6, 65, 7 o C przez dwie godziny. Określono zmiany twardości i mikrostruktury żeliwa w zależności od stopnia zgniotu i temperatury wyżarzania po zgniocie. Wyznaczono temperaturę rekrystalizacji w funkcji stopn ia zgniotu. Zbadano również zmiany twardości żeliwa zgniecionego w stopniu 6% w zależności od czasu wyżarzania w temperaturze 61 lub 64 o C i na tej podstawie wyznaczono energię aktywacji procesu rekrystalizacji osnowy żeliwa. Key words: ductile cast iron, cold rolling, recrystalization 1. WSTĘP Poprawę własności mechanicznych i odporności na ścieranie żeliwa sferoidalnego można uzyskać stosując obróbkę cieplną lub plastyczną. Obróbka plastyczna żeliwa sferoidalnego nie należy jak dotychczas do rutynowych operacji wykonywanych na tym tworzywie, chociaż stwarza ona realną możliwość poprawy własności mechanicznych. W monografii [1], obróbce plastycznej na gorąco poświęcono odrębny ustęp, w którym podano, że w zakresie temperatury 84-15 o C może być prowadzona obróbka plastyczna żeliwa sferoidalnego, tj. kucie swobodne i matrycowe, wyciskanie, prasowanie lub walcowanie. Próby kucia swobodnego żeliwa sferoidalnego 1 Dr inż. Tadeusz Szykowny, Tadeusz.Szykowny@mail.atr.bydgoszcz.pl 2 Mgr inż. Jacek Szczutkowski, Jacek.Szczutkowski@mail.atr.bydgoszcz.pl
ferrytycznego i perlitycznego wykazały pęknięcia żeliwa dopiero po przekroczeniu stopnia przekucia równego 4,5. Obróbka plastyczna powoduje wzrost granicy plastyczności wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i udarności w kierunku podłużnym. Żeliwo sferoidalne przeznaczone do obróbki plastycznej powinno zawierać jak najmniej fosforu (poniżej,1%) [1]. Autorzy artykułu [2] przekuwali żeliwo sferoidalne w temperaturze 95 o C z odkształceniem 55%, nie stwierdzając defektów powierzchniowych. Po następnym hartowaniu izotermicznym otrzymano znaczną poprawę własności mechanicznych i odporności na ścieranie względem żeliwa nie poddanego obróbce plastycznej. Odkształcenie na zimno (ściskanie) wysokomiedziowego żeliwa sferoidalnego wywołuje wzrost granicy plastyczności od 36 do 76 MPa przy zgniocie 7%. Mikrotwardość ferrytu wzrasta od 28 HV w żeliwie niezgniecionym do 44 HV dla żeliwa z 6% zgniotem [3]. Stwierdzono teksturę ziarn ferrytu oraz deformację wydzieleń grafitowych, które z kulistych stają się soczewkowe. We wnioskach autorzy pracy [3] stwierdzają, iż badane żeliwo można zastosować do wytwarzania metodą prasowania elementów pracujących w warunkach tarcia. Ściskanie na zimno przesyconego miedziowego żeliwa o strukturze ferrytycznej, ze zgniotem 3% wywołuje wzrost twardości od 176 HV do 255 HV. Obserwuje się charakterystyczną deformację grafitu, który przyjmuje formę soczewek [4]. W niniejszej pracy podjęto badania nad wpływem stopnia zgniotu ferrytycznego żeliwa sferoidalnego, zadanego walcowaniem na zimno, na twardość, mając na celu wyznaczenie maksymalnej wartości zgniotu, przy której nie występują jeszcze pęknięcia. Dalsze odkształcanie żeliwa możliwe jest wówczas, gdy osnowa zostanie zrekrystalizowana. Stąd celem badań jest określenie zmiany twardości i mikrostruktury w zależności od stopnia zgniotu i temperatury wyżarzania po zgniocie ora z wyznaczenie temperatury rekrystalizacji. Postanowiono również prześledzić kinetykę przemian podczas izotermicznego wyżarzania po zgniocie i wyznaczyć energię aktywacji procesu rekrystalizacji osnowy żeliwa. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto jeden gatunek miedzowego żeliwa sferoidalnego o strukturze perlityczno ferrytycznej i składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa Table 1. Cast iron chemical constitution Składnik C Si Mn P S Cr Cu Ti Mg Pb Zawartość, % mas. 3,76 3,7,35,7,4,4,48,24,6,5 Żeliwo wytopiono w indukcyjnym piecu tyglowym sieciowej częstotliwości o pojemności 3,5t. Żeliwo sferoidyzowano zaprawą MgCuCe i modyfikowano 148
ARCHIWUM ODLEWNICTWA żelazokrzemem FeSi75. Odlano próbki YII. Z dolnych prostopadłościennych części próbki YII pobrano wałki 2mm, które pocięto na krążki o grubości 3mm. Próbki krążkowe poddano obróbce przedstawionej schematem na rys. 1. Rys. 1. Schemat obróbki żeliwa Fig. 1. Scheme of cast iron treatment W celu wyznaczenia energii aktywacji procesu rekrystalizacji, próbki zgniecione w stopniu 6%, wyżarzono w temperaturze 61 lub 64 o C w czasie,5; 1; 1,5; 2; 4; 6; 8; 12; 24; 32; 48; 64; 9 lub 12 minut. Na wszystkich próbkach wykonano pomiary twardości HV5. Na wybranych próbkach dokonano jakościowej oceny metalograficznej oraz dyfrakcyjnej analizy rentgenograficznej. W celu wyznaczenia temperatury rekrystalizacji, zmiany twardości w funkcji temperatury wyżarzania aproksymowano równaniem Avrami ego w postaci: n kt y 1 e (1) y stopień przemiany, T temperatura wyżarzania, k, n współczynniki. Sporządzenie wykresów we współrzędnych ln[-ln(1-y)], lnt pozwoliło na wyznaczenie współczynników k i n. Na podstawie znajomości k i n wyznaczono temperaturę rekrystalizacji T r jako odciętą punktu przegięcia na wykresie twardości w funkcji temperatury wyżarzania wg wzoru: n 1 T n r (2) k n Jako stopień przemiany y, przyjmowano ułamek, którego licznik stanowił spadek twardości względem twardości maksymalnej (po zgniocie), natomiast mianownik różnicę pomiędzy twardością maksymalną, a twardością żeliwa w stanie najbliżs zym równowagi tj. w stanie ferrytyzowanym. 149
Twardość, HV5 J max, imp/s 3. WYNIKI BADAŃ ORAZ ICH ANALIZA Obserwacja mikrostruktury próbek walcowanych ze zgniotem 2,4,6% wykazuje wzrastający stopień deformacji (wydłużenia w kierunku walcowania) ziarn ferrytu i wydzieleń grafitu. Próbki zgniecione w stopniu 8% wykazują widoczne makroskopowo promieniowe pęknięcia na obwodzie o głębokości ok. 1 2mm. Mikroskopowo ujawniono mikropęknięcia biegnące najczęściej od wydzieleń grafitu. Grafit ulega znacznej deformacji jak i często fragmentacji. Badania dyfrakcyjne wykazały spadek intensywności linii {11} ferrytu J max wraz ze wzrostem stopnia zgniotu od do 6%, po czym niewielki wzrost dla żeliwa z 8% zgniotem. Takie zmiany należy przypisać wzrastającemu zdefektowaniu i naprężeniom wewnętrznym. Wystąpienie pęknięć w żeliwie zgniecionym w stopniu 8% uwalniana część naprężeń, stąd obserwowano wzrost J max dla tego przypadku (rys. 2). 3 25 2 15 1 5 2 4 6 Z, % 8 Rys.2. Intensywność maksymalna J max odbicia od płaszczyzn {11} ferrytu w funkcji stopnia zgniotu Z Fig. 2. Maximum intensity J max of reflection from ferrite planes {11} in a function of cold work stage Z Twardość żeliwa jako funkcję stopnia zgniotu Z aproksymuje z bardzo wysokim współczynnikiem determinacji R 2 trójmian kwadratowy (rys. 3). 27 25 23 21 19 17 15 y = -,184x 2 + 2,714x + 163,35 15 R 2 =,9926 2 4 6 8 Z, % 1 Rys. 3. Twardość jako funkcja stopnia zgniotu Z Fig. 3. Hardness as a function of cold work stage Z
Twardość, HV5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na wyniki pomiaru twardości żeliwa zgniecionego w stopniu 8% zaważył niewątpliwie fakt wystąpienia mikropęknięć. Zmiany twardości próbek zgniecionych i wyżarzonych przedstawia rys. 4. 28 26 24 22 2% 4% 6% 8% 2 18 16 14 2 4 6 T, C Rys. 4. Twardość żeliwa w funkcji temperatury wyżarzania po zgniocie 2,4,6 lub 8% Fig. 4. Cast iron hardness in annealing temperature after 2, 4, 6 or 8% cold work Wykres funkcji ln[-ln(1-y)] w zależności od ln T aproksymowanej funkcją liniową przedstawia rys. 5. Z wykresów na rys. 5. wynika, iż przemiany podczas wyżarzania po zgniocie przebiegają dwuetapowo, różniąc się wartościami współczynników k i n. Należy przyjąć, iż w dolnym zakresie temperatury zachodzi zdrowienie, w górnym rekrystalizacja. Do obliczenia temperatury rekrystalizacji wzięto współczynniki równania liniowego, aproksymującego funkcję ln[-ln(1-y)] od lnt, w górnym zakresie temperatury wyżarzania. Wartość temperatury rekrystalizacji w zależności od stopnia zgniotu przedstawia rys. 6. Otrzymana malejąca zależność temperatury rekrystalizacji żeliwa od stopnia zgniotu zgodna jest z powszechnie znanymi i zinterpretowanymi danymi dla metali i stopów [5]. Osnowa żeliwa wyżarzonego w temperaturze 65 lub 7 o C stanowią zrekrystalizowane równoosiowe, jednorodne pod względem wielkości ziarna ferrytu. 151
Temperatura, C ln[-ln(1-y)] ln[-ln(1-y)] ln[-ln(1-y)] ln[-ln(1-y)] 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 -2,5-3 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 -2,5-3 y = 16,692x - 17,8 R 2 =,9497 6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 lnt y = 1,8828x - 12,922 R 2 =,9163 y = 6,217x - 4,739 R 2 =,9397 y = 15,33x - 98,653 R 2 =,957 6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 lnt 2 1,5 1,5 -,5-1 y = 12,686x - 81,492 R 2 =,9183-1,5 y = 1,9431x - 12,877 a) -2-2,5 R 2 =,9265 c) b) -3 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 -2,5-3 6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 lnt y = 9,7193x - 61,973 R 2 =,9794 6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 lnt y = 3,9865x - 25,687 R 2 =,8515 Rys. 5. Wykresy funkcji ln[-ln(1-y)] od lnt dla żeliwa zgniecionego w stopniu a) 2%, b) 4%, c) 6 %, d) 8% Fig. 5. Diagrams of a function ln[-ln(1-y)] and lnt for cast iron crushed in a) 2%, b) 4%, c) 6%, d) 8% stages d) 64 63 62 61 6 59 58 57 2 4 6 Z, % 8 Rys. 6. Temperatura rekrystalizacji w zależności od stopnia zgniotu Z Fig. 6. Recystalization temperature in relation to cold work stage Z Zmiany twardości żeliwa wyżarzonego izotermicznie w temperaturze 61 lub 64 o C aproksymowano funkcją typu y=ax b (rys. 7). Obliczono wartość półczasów przemiany posługując się tą funkcją. 152
twardość, HV5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 25 24 23 22 21 2 19 18 17 y = 233,54x -,319 R 2 =,9475 61 C 64 C y = 213,2x -,49 R 2 =,8762 2 4 6 8 1, min 12 Rys. 7. Twardość jako funkcja czasu wyżarzania żeliwa w temperaturze 61 lub 64 o C Fig. 7. Hardness as a time function of cast iron annealing in temperatures of 61 or 64 O C Wartość energii aktywacji procesu rekrystalizacji Q, wyliczono na podstawie zależności [6]: t1 ln tt Q R 1 1 ( ) T1 T2 gdzie: t 1 półczas przemiany w temperaturze 61 o C, s, t 2 półczas przemiany w temperaturze 64 o C, s, T 1 temperatura przemiany 883K, T 2 temperatura przemiany 913K, R stała gazowa, 8,31432 J/mol K. (4) Wyliczona wartość energii aktywacji procesu rekrystalizacji wynosi 213,8kJ/mol. Jest to wartość energii aktywacji zbliżona do wartości energii aktywacji samodyfuzji objętościowej w żelazie, która wg danych M.F. Ashby ego [7] wynosi 239,6kJ/mol. 4. PODSUMOWANIE Walcowanie ferrytycznego żeliwa sferoidalnego jest bardzo efektywnym sposobem podwyższenia twardości i jak należy przypuszczać w podobnym stopniu własności wytrzymałościowych. Ferrytyczne żeliwo sferoidalne można bezpiecznie, bez obaw wystąpienia makro i mikropęknięć walcować, stosując maksymalnie 6% zgniot. Takiej wartości zgniotu odpowiada 62% wzrost twardości względem żeliwa 153
niezgniecionego. Temperatura rekrystalizacji żeliwa maleje pod wpływem stopnia zgniotu od wartości 636 o C dla zgniotu 2% do 581 o C dla zgniotu 8%. Żeliwo zrekrystalizowane, nawet w wysokiej temperaturze 7 o C, nie wykazuje oznak wzrostu, ani zróżnicowania w wielkości ziarn ferrytu. Energia aktywacji procesu rekrystalizacji żeliwa wynosi 213,8kJ/mol i jest zbliżona do energii samodyfuzji objętościowej w żelazie, co świadczy o dyfuzyjnym charakterze procesu. LITERATURA [1] Piaskowski J., Jankowski A.: Żeliwo sferoidalne, wyd II, WNT Warszawa, (1974). [2] Kosnikow G.A. i inn.: Vlianje goračevo plastičeskovo deformirovana na strukturu i svojstrva ČŠĞ. Lit. Proizv, nr 11, s. 3, (1988). [3] Bobro Ju. G. i in.: Deformacjonnaja sposobnost vysokomedistych ferritnych čugunov s šarovidnom grafitom, Kuznečno-Štampovočnoe Proizv. nr 7, s.5, (1999). [4] Szykowny T., Ciechacki K.: Podwyższenie własności żeliwa jako tworzywa narzędziowego przez obróbkę plastyczną i cieplną, VII Krajowa Konf. Nauk.- Techn. n.t: Problemy narzędziowe w obróbce plastycznej, Bydgoszcz Wenecja, s.145, (21). [5] Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo: materiały inzynierskie z podstawami projektowania materiałowego, WNT Warszawa (22). [6] Kędzierski Z.: Przemiany fazowe w metalach i stopach, Skrypty uczelniane AGH, Kraków, (1988). [7] Praca zbiorowa pod red. K. Przybyłowicza i S. Jasieńskiej: Nowoczesne metody badawcze w metalurgii i metaloznawstwie, Skrypty uczelniane AGH, Kraków, (1981). COLD WORK AND RECYSTALIZATION OF DUCTILE CAST IRON SUMMARY A cupric ductile cast iron was two-stage ferritized. The samples 3 mm thickness was cold rolling with 2, 4, 6 and 8% cold work and next, they were two hours annealed in temperatures: 45, 5, 55, 6 65 and 7 o C. The changes of cast iron hardness and microstructure were determined as a function of stage of cold work and annealing temperature after cold work. Recystalization temperature in function of cold work stage was determined too. The changes of hardness of crushed in 6% stage cast iron in relation to time of annealing in 61 and 64 o C were also analysed. On this base activation energy of cast iron matrix recrystalization was also assigned. Recenzował: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski 154