38/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE POŁĄCZEŃ ŻELIWO SFEROIDALNE - STAL 1H18N9T ZGRZEWANYCH TARCIOWO WINICZENKO Radosław 1, DYMSKI Stanisław 2, KACZOROWSKI Mieczysław 1 1 Instytut Technologii Materiałowych Politechnika Warszawska ul. Narbutta 85, 02-524 WARSZAWA 2 Katedra Materiałoznawstwa i Technologii Metali ul. Kaliskiego 7, 85-225 BYDGOSZCZ STRESZCZENIE W artykule przedstawiono badania struktury i właściwości mechanicznych połączeń żeliwa sferoidalnego zgrzewanych za pośrednictwem przekładki ze stali austenitycznej 1H18N9T. W badaniach wykorzystano elektronową mikroskopię skaningową SEM (Scanning Electron Microscopy), za pośrednictwem której dokonano oceny topografii przełomów oraz obserwacji zmian mikrostruktury dokonujących wskutek przemian fazowych aktywowanych cieplnie. Stwierdzono, że złącza z żeliwa hartowanego w zakresie górnego bainitu ulegają zerwaniu po stronie żeliwa a propagacja pękania przebiega głównie po płaszczyznach łupliwości ferrytu. 1. WPROWADZENIE Prognozy rozwojowe w inżynierii materiałowej i spawalniczej wskazują, że w najbliższej przyszłości wytwarzane będą konstrukcje lano-kuto-spawane z żeliw o dobrej spawalności [1]. Coraz częściej można zetknąć się z łączeniem odlewów żeliwnych z półwyrobami stalowymi [2,3], co w szeregu przypadków poprawia właściwości użytkowe wyrobów, upraszcza technologię a przez to daje korzystne relacje cenowe. Metodą umożliwiającą dość szybkie i tanie nierozłączne spajanie wielu materiałów jest zgrzewanie tarciowe, które coraz śmielej wkracza w coraz to nowe obszary zastosowań. Jednym z nich jest łączenie żeliwa sferoidalnego. Żeliwo to, dzięki korzystnym właściwościom mechanicznym i ekonomicznym odgrywa szczególną rolę w przemyśle, konkurując z odlewami staliwnymi a nawet odkuwkami stalowymi.
238 Głównym problemem występującym przy zgrzewaniu tarciowym żeliwa sferoidalnego jest grafit posiadający właściwości smarne, obniżające sprawność procesu [4]. Podczas tarcia sferoidy grafitowe odkształcają się lub ulegają rozdrobnieniu tworząc niekorzystną strukturę pasmową [5]. Ponadto, duża zawartość węgla w żeliwie sferoidalnym (zwykle ponad 3.5%) stanowi barierę na drodze do uzyskania dobrej jakości połączenia. Najczęściej prowadzi to do powstania twardych i kruchych struktur martenzytycznych w strefie wpływu ciepła. Aby temu zaradzić realizuje się próby zgrzewania żeliwa sferoidalnego za pomocą przekładek ze stali niskowęglowych. Niedawne badania wykazały, że łączenie austenitu żeliwa z austenitem stali jest wielce obiecujące przy tworzeniu się struktury osnowy żeliwa [6]. Dotychczasowe badania strukturalne prowadzone z wykorzystaniem klasycznej mikroskopii świetlnej okazują się niewystarczające dla ujawnienia szczegółów budowy w obszarze połączenia a tym samym uniemożliwiają wnioskowanie o zjawiskach zachodzących w trakcie procesu zgrzewania tarciowego. W niniejszej pracy autorzy zamieścili pierwsze wyniki zakrojonych na szeroką skalę badań zjawisk zachodzących podczas łączenia elementów z żeliwa sferoidalnego za pośrednictwem przekładki ze stali austenitycznej. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Materiałem do badań było żeliwo sferoidalne gatunku 550-03 o strukturze perlityczno-ferrytycznej i bainityczne uzyskane w wyniku hartowania z przemianą izotermiczną. Skład chemiczny żeliwa był następujący: 3.34 % C, 2.13 % Si, 0.45 % Mn, 0,059 % P, 0.010 % S, 0.047 % Cr, 0.172 % Ni, 0.009 % Mo oraz 0.046 % Mg. Próbki z żeliwa wycięto z dolnych powierzchni wlewków o kształcie Y II. Geometria i wymiary próbek do badań były podobne zastosowanych w pracy [7]. Połączenia wykonano na zgrzewarce z napędem ciągłym ZT4-13, przy czym w celu uniknięcia tworzenia struktur martenzytycznych, łączenie przeprowadzono z wykorzystaniem przekładki ze stali 1H18N9T. Czas tarcia wynosił 120, 18 i 240 s oraz 240, 270 i 300s, odpowiednio dla żeliwa o osnowie perlityczno-ferrytycznej i bainitycznej. Siła spęczania była równa sile tarcia i wynosiła P t = 24 kn, zaś czas spęczania t = 3s. Uzyskane złącza poddano badaniom własności mechanicznych oraz strukturalnym Pierwsze z nich polegały na określeniu maksymalnej siły rozrywającej R m, oraz zmian twardości na przekroju złącza. Badania strukturalne prowadzono z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego firmy JOEL przy napięciu przyśpieszającym 15kV z wykorzystaniem elektronów wtórnych - SE (Secondary Electrons). Obserwacjom poddano zarówno przełomy jak i zgłady metalograficzne. 3. WYNIKI BADAŃ Bezpośrednie oględziny próbek po procesie zgrzewania dostarczają wiele cennych informacji. Jedną z nich jest fakt, że przedłużenie czasu tarcia powoduje zwiększanie pęknięć na obwodzie zewnętrznym wypływek. Wyniki badań wytrzymałości na rozrywanie oraz wielkości wypływek dla żeliwa o osnowie perlityczno-ferrytycznej oraz bainitycznej podano w tablicy 1.
239 Tablica 1. Wytrzymałościowe złączy żeliwa o osnowie ferrytyczno-perlitycznej i bainitycznej Nr próbki Żeliwo o osnowie perlitycznoferrytycznej Czas tarcia [s] D wypływki [mm] R m [MPa] Żeliwo o osnowie bainitycznej Czas tarcia [s] D wypływki Mm] R m [MPa] 1 120 40 oraz 33 204 240 40 oraz 33 201 2 180 36 oraz 34 132 270 39 oraz 37 335 3 240 36 oraz 34 306 300 39 oraz 36 268 Z tablicy wynika, że maksymalną wytrzymałość na rozciąganie równą 335MPa, otrzymano dla żeliwa o osnowie bainitycznej, przy zastosowaniu czasu tarcia 270s. Dalsze zwiększenie czasu tarcia nie było celowe, bowiem nie powodowało wzrostu wytrzymałości a przyczyniało się do zwiększenia skrócenia próbek i wypływek (tablica 1). Stwierdzono, że w wypadku próbek o osnowie perlityczno-ferrytycznej w stanie lanym, pękanie zachodzi na linii zgrzewania po stronie żeliwa. Ponadto, wypływki utworzone podczas zgrzewania tego żeliwa są bardziej uplastycznione w porównaniu do otrzymanych w próbkach z żeliwa o osnowie bainitycznej. Mikrotwardość złącza bainitycznego (rys.1) cechuje się wystąpieniem obszarów o podwyższonej twardości. Najwyższą twardość równą 447 µhv5 miała stal austenityczna w bezpośredniej bliskości linii zgrzewania. W miarę oddalania się od złącza w głąb austenitu, twardość gwałtownie maleje. Po stronie żeliwa twardość systematycznie zmniejsza się aż do uzyskania wartości materiału rodzimego. Oczekiwano, że znaczna twardość stali w pobliżu złącza jest spowodowana utworzeniem węglików, co też zostało potwierdzone przez badania strukturalne. Rys.2 ukazuje liczne wydzielenia, o wielkości od 0.2 do 1µm, ulokowane na granicach ziarn. Badania fraktograficzne złomów otrzymanych z Rys.1. Rozkład twardości na przekroju połączenia próby rozciągania żeliw o Fig.1. The hardness changes across the joining interface. osnowie bainitycznej wykazały niejednorodny ich charakter. Obok obszarów, w których były widoczne wyraźne płaszczyzny łupliwości (rys.3). w wielu miejscach stwierdzono występowanie przełomów
240 ciągliwych. Dowodzi tego obecność charakterystycznych jamek (kraterów), (rys.4). typowych dla pękania rozdzielczego materiałów ciągliwych. Taki typ powierzchni pękania sugeruje obecność austenitu o sieci A1. Rys.2. Węgliki w stali austenitycznej (SEM) Fig.2. The carbides in austenitic matrix Rys.3. Pękanie łupliwe w otoczeniu sferoidów grafitu. Fig. The cleavage planes around the graphite nodules. Rys.4. Przykład przełomu o charakterze ciągliwym Fig.4. An example of ductile mode of fracture surface Rys.5. Zdeformowany grafit w żeliwie sferoidalnym Fig.5. The deformed graphite in nodular cast iron. Obserwacje zgładów metalograficznych ujawniły deformację wydzieleń grafitu tym większą, im dalej pole obserwacji było odległe od osi próbki. Przykład zdeformowanych sferoidów grafitu pokazano na rys.5. W innych miejscach, położonych w pobliżu granicy rozdziału po
241 stronie żeliwa, stwierdzono obecność eutektyki węglikowej (rys.6). Jej pojawienie się jednoznacznie dowodzi przemiany ciecz kryształ. W innych obszarach, w odległości ok. 2mm od linii zgrzewania, zaobserwowano siatkę ferrytu na tle perlitu. Przebiega ona po granicach ziaren, które są łatwymi drogami ruchu masy węgla. Rys.6. Przykład eutektyki węglikowej w żeliwie (SEM) Fig.6. The carbide eutectic in ductile iron. Rys.7. Przykład struktury Widmanstädttena Fig.7. An example of Widmanstädtten microstructure Kolejne zdjęcie przedstawia mikrostrukturę w strefie granicy rozdziału, scharakteryzowaną przez igły ferrytu zorientowane względem siebie pod kątami 60 i 120 o (rys.7). Mikrostruktura taka jest typowa dla przegrzanych stali niskowęglowych i nosi nazwę struktury Widmanstädttena. Warto zauważyć również, iż w wypadku łączenia żeliw perlitycznoferrytycznych, w niektórych miejscach napotkano na izolowane obszary perlitu ulokowane w obrębie przekładki austenitycznej. 4. DYSKUSJA WYNIKÓW I WNIOSKI W pierwszej kolejności należy podkreślić, że mimo trudności jakie nastręcza łączenie żeliwa za pomocą zgrzewania tarciowego udało się uzyskać połączenia o wytrzymałości od minimalnej równej 132 MPa do maksymalnej 335 MPa. Jakkolwiek pierwsza z nich nie jest imponująca to wynika to przede wszystkim z faktu, że zgrzanie żeliwa ze stalą 1H18N9T wystąpiło tylko na części łączonych powierzchni. Najważniejszym zadaniem nie było jednak otrzymanie złączy o maksymalnej wytrzymałości na rozrywanie lecz prześledzenie zjawisk dokonujących się w trakcie procesu. Wśród wielu, na szczególną uwagę zasługują dwa, a mianowicie: bardzo wysoka temperatura towarzysząca zgrzewaniu, dyfuzja "dalekiego zasięgu" jaka dokonuje się w przeciągu stosunkowo krótkiego czasu. Dowodem wysokiej temperatury jaka jest generowana podczas zgrzewania jest obecność produktów przemian faza ciekła - faza stała. Na podstawie obserwacji mikroskopowych
242 można szacować, że była ona nie tylko wyższa od temperatury przemiany eutektycznej (rys.6) ale bliska temperaturze 1500 o C (rys.7)!. Fakt ten po części tłumaczy dyfuzję zarówno węgla od żeliwa w kierunku stali austenitycznej jak i składników stopowych (Cr i Ni) do żeliwa. Jeśli idzie o pierwszy z procesów to przekonują o tym węgliki w powstałe w niskowęglowej stali austenitycznej (rys.2) a także, wspomniane wcześniej, izolowane pola perlitu wewnątrz stali austenitycznej. Powstanie obszarów perlitu w osnowie austenitu sugeruje, że lokalnie austenit musiał zostać zubożony w chrom i nikiel, których to obecność stabilizuje sieć A1 w temperaturze otoczenia. Wydaje się logicznym sądzić, iż wspomniane pierwiastki dyfundowały raczej w kierunku żeliwa niż pod gradient stężenia. Dowodzi tego pośrednio ciągliwy charakter przełomów w żeliwie, których przykład pokazano na rys.4. Reasumując wydaje się zasadne zaproponowanie następujących wniosków: 1. Zwiększenie czasu trwania tarcia podnosi wytrzymałość połączenia 2. Zgrzewaniu żeliwa sferoidalnego towarzyszy deformacja wydzieleń grafitu, która może obniżyć wytrzymałość połączenia, głównie w strefie żeliwa. 3. Mikrostruktura utworzona na granicy rozdziału materiałów jest ściśle związana z dyfuzją węgla oraz Cr i Ni przez granicę rozdziału. LITERATURA [1].Klimpel A.: Zagadnienia spawania żeliwa na przykładzie żeliwa sferoidalnego, Przegląd Spawalnictwa Nr 2, 1997r. [2].Hirsch J.: Konstruktionsschweissen von Gusseisen mit Kugelgraphit (Sphäroguss) mit Baustahl. Konstruieren und Giessen, 13 (1988), s 13. [3].Richter H., Palzkill A.: Reibschweissen von Stahl mit Gusseisen mit Kugelgraphit. Konstruieren und Giessen, 11 (1986), s.33. [4].Inertia Welding, aplication principles. Capilar Tractor Co, 1967. [5].Dymski S.: Badanie struktury zgrzewanego tarciowo żeliwa sferoidalnego ze stalą austenityczną, Zeszyty Naukowe Mechanika 38. Nr 193, Bydgoszcz 1995r. [6].Oleszycki H., Karulski T.: Zgrzewanie tarciowe żeliwa sferoidalnego, Zeszyty Naukowe Mechanika 36, Nr 184, Bydgoszcz 1994r. [7].Łukaszczyk D.: Wpływ procesu zgrzewania tarciowego na strukturę i własności mechaniczne połączeń z żeliwa sferoidalnego, Praca dyplomowa. ATR Bydgoszcz 1995r. STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF COMBINATION : SPHEROID CAST IRON - 1H18N9T STEEL FRICTION WELDED SUMMARY The study of mechanical properties and microstructure of friction welded couple of ductile iron with 1H18N9T steel are presented. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used for investigation of the fracture morphology and phase transformations taking place during solidification and crystallization. It was concluded that in case of upper bainite ductile iron the fracture proceeds mainly through the cleavage planes.