13/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 2002, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA Z GRAFITEM MIESZANYM HARTOWANEGO IZOTERMICZNIE M. KACZOROWSKI 1 Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW 02-524 Warszawa, ul. Narbutta 85 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych oraz strukturalnych żeliwa z grafitem sferoidalno wermikularnym, hartowanemu izotermicznie przez 1.5h w temperaturze 300 o C (wariant A) oraz 1.0h w temperaturze 350 o C (wariant B). W dalszej kolejności żeliwo wyżarzano izotermicznie przez czas do 1000h w temperaturze 250 o C (wariant A) oraz 300 o C (wariant B) celem określenia zmian mikrostruktury i własności mechanicznych pod wpływem oddziaływania wysokiej temperatury. W wyniku badań ustalono, że żeliwo ma osnowę iglastą, charakterystyczną dla żeliwa ADI jednak obecność grafitu wermikularnego przyczynia się do istotnego zmniejszenia własności mechanicznych, zwłaszcza własności plastycznych żeliwa. Własności te nie zmieniają jednak zasadniczo podczas wyżarzania w podwyższonej temperaturze. 1. WPROWADZENIE Żeliwo ADI (ang. Austempered Ductile Iron) jest obecnie jednym z najbardziej b a- danych tworzyw odlewniczych, a powodem jest wyjątkowe skojarzenie wysokich własności wytrzymałościowych i plastycznych. Dowodem olbrzymiego zaintereso wania tym tworzywem są specjalne konferencje poświęcone żeliwu ADI, z których ostatnia odbyła się w Barcelonie we wrześniu 2002 roku [1], a także informacje w internecie [2]. Innym bardzo interesującym, obok żeliwa ADI, odlewniczym stopem żelaza z węglem jest żeliwo z grafitem wermikularnym CGI (ang. Compacted Graphite Iron), które choć nie szokuje wysokimi własnościami mechanicznymi to jednak ma szereg zalet tworząc pomost pomiędzy żeliwem szarym, a żeliwem z grafitem kulkowym [3,4]. 1 Prof. dr hab.inż., M.Kaczorowski@wip.pw.edu.pl 127
Cechą wyróżniającą ten gatunek żeliwa są własności mechaniczne lepsze niż żeliwa szarego i lepsza niż żeliwa sferoidalnego przewodność cieplna oraz zdolność tłumienia drgań. To spowodował, iż żeliwo CGI jest wyjątkowo atrakcyjnym materiałem dla przemysłu motoryzacyjnego. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań wytypowano standardowe żeliwo z grafitem kulkowym gatunku 500 07, z którego wykonano odlewy w postaci wałków o średnicy 30mm. Z odlewów wycięto próbki do badań wytrzymałościowych o długości l = 80 mm i średnicy w części pomiarowej 6mm oraz próbki do badań udarności KCU2. Dla każdego punktu pomiarowego sporządzono komplet obejmujący po trzy próbki każdego rodzaju do badań włąsnosci mechanicznych. Próbki austenityzowane przez 75 min w temperaturze T a = 900 o C, a następnie hartowane izotermicznie w soli: 90 min w temperaturze 300 o C (wariant A), 60 min w temperaturze 350 o C (wariant B). W dalszej kolejności materiał wyżarzano przez 120, 240, 360, 420 720 oraz 1000h w temperaturze 250 o C (wariant A) oraz 300 o C (wariant B). Po obróbce cieplnej część pomiarowa próbek była szlifowana w celu usunięcia naddatku po 0.5 mm na stronę, który miał zabezpieczać je przed odwęgleniem podczas obróbki cieplnej. Obrobione cieplnie próbki poddano badaniom własności mechanicznych na maszynie wytrzymałościowej Instron 1115, badaniom udarności oraz twardości HRC. Następnie wykonano systematyczne obserwacje metalograficzne. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Badania własności mechanicznych Wyniki badań własności mechanicznych podano w tabeli 1. Każda z wartości podanych w tablicy dotycząca badań na maszynie wytrzymałościowej jest średnią z wy - ników z trzech pomiarów. Wyniki badań twardości są średnią co najmniej 12 pomiarów, spośród których dwa skrajne odrzucono zaś pozostałe obrobiono statystycznie podając odchylenie standardowe. W ostatniej kolumnie tabeli 1 podano stosunek umownej granicy plastyczności do n o- minalnej wytrzymałości na rozciąganie, która może być pomocny przy interpretacji zjawisk jakie dokonały się w materiale podczas hartowania izotermicznego. 128
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Tabela 1. Wyniki badań własności mechanicznych Table 1. The result of mechanical testing Parametry wyżarzania R m R m A 10 HB śr KCU2 T hi [ o C] t hi [min] [MPa] [MPa] [%] [J / cm 2 ] 250 300 0 1100 1020 0.95 42.0 1.8 7.35 120 1190 1135 0.60 41.5 1.9 6.80 240 1233 1161 0.60 38.7 2.9 6.70 360 1271 1230 0.53 37.6 2.4 6.20 420 1262 1207 0.50 37.5 2.0 7.00 720 1205 1116 1.30 37.5 1.4 7.60 1000 1261 1218 1.50 37.5 1.1 6.30 0 1118 990 3.50 38.5 1.2 14.00 120 1182 1117 1.10 38.1 2.0 6.70 240 1160 1084 2.90 36.7 1.9 7.30 360 1114 1047 2.10 36.1 1.4 6.80 420 1208 1118 3.30 35.9 1.6 6.00 720 1196 1088 2.80 36.1 2.3 6.10 1000 1129 1048 2.40 36.5 2.1 5.50 129
3.2. Wyniki badań strukturalnych Na rys.1 i 2 zamieszczono wynik badań metalograficznych. Na pierwszym z nich (rys.1a). pokazano przykład mikrostruktury żeliwa bezpośrednio po hartowaniu, na którym doskonale widać zarówno grafit sferoidalny jak i wermikularny. Osnowa żeliwa (rys.1b) ma typową budową iglastą, charakterystyczną dla żeliwa ADI, która nie zmienia się ona praktycznie po 480h wyżarzaniu (rys.1c). Zmiany stwierdza się dopiero po upływie 1000h, kiedy to w osnowie zaczynają pojawiać się ultradyspersyjne węgliki (rys,1d). a b c d Rys.1. Mikrostruktura żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 300 o C i wyżarzonego w temperaturze 250 o C: a, b 0h, c 480h, d 1000h, Fig.1. The microstructure of iron isothermaly quenched at the temperatur 300 o C and aged at the temperature 250 o C: a,b 0h, b 480h and d 1000h 130
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a b c Rys.2. Mikrostruktura żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 350 o C i wyżarzonego w temperaturze 300 o C: a 0h, b 480h i c 1000h, Fig.2. The microstructure of iron isothermaly quenched at the temperatur 300 o C and aged at the temperature 250 o C: a 0h, b 480h and c 1000h Rys.2 pokazuje mikrostrukturę żeliwa bezpośrednio po hartowaniu w temperaturze 300 o C (rys.2a) i po wyżarzaniu przez 480h (rys.2b) oraz 1000h (rys.2c). Charakteryzuje się on nieco większym udziałem austenitu i jak się wydaje większą stabilnością cieplną, czego dowodem jest brak wyraźnych oznak jej rozpadu nawet po upływie 1000h. 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Ze względu na ograniczone możliwości, w tym punkcie skoncentrowano się jedynie na krótkim omówieniu najważniejszych wyników uzyskanych w pracy. W pierwszej kolejności pokazano graficzną ilustracje wyników badań własności mechanicznych (rys.3). Na wstępie należy odnotować, iż zarówno dla pierwszego jak i drugiego wariantu wyniki wykazują znaczny rozrzut. Można przypuszczać, że powodem dużego rozrzutu jest statystyczny rozkład wielkości grafitu wermikularnego w poszczególnych próbkach, które działają jako koncentratory naprężenia. Mimo to jednak, charakter zmian R 0.2 i R m na obu wykresach jest zbliżony ukazując początkowo pewien wzrost, po którym następuje stopniowy spadek. Niewątpliwą różnicą jest to, że 131
R 0.2, R m [MPa] R 0.2, R m [MPa] poziom własności wytrzymałościowych jest generalnie wyższy dla żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 300 o C niż w temperaturze 350 o C. Również maksimum własności zmieniających się w funkcji czasu wyżarzania jest wyraźniejsze o znajduje się w obszarze dłuższego czasu wyżarzania dla żeliwa z wariantu A niż B. a 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Czas [h] b 1300 1200 1100 1000 900 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 0 Czas wyżarzania [h] Rys.3. Zmiana R 0.2 i R m w funkcji czasu wyżarzania izotermicznego w temperaturze: a - 250 o C i b 300 o C Fig.3. The change of R 0.2 and R m as function of isothermal annealing time at the temperature: a 250 o C, b 300 o C. 132
Wydłużenie A 10[%] Twardość HRC ARCHIWUM ODLEWNICTWA a 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 200 400 600 800 1000 b 44 42 40 38 36 34 32 30 0 200 400 600 800 1000 Czas wyżarzania [h] Czas wyżarzania [h] Rys.4. Zmiana właściwości w funkcji czasu wyżarzania: a - wydłużenia A 10 i b HRC Fig.4. The change of properties as a function of annealing time: a - elongation A 10, b -HRC Na rys.4 pokazano zmianę wydłużenia (rys.4a) oraz twardości (rys.4b) w funkcji czasu izotermicznego wyżarzania w temperaturze 250 o C (wariant A) oraz 300 o C (wariant B). Jak należało oczekiwać wydłużenie żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 300 o C (ciemne punktu) jest generalnie większe. Mimo dużego rozrzutu wyników można zauważyć, iż pierwszej fazie wyżarzania wydłużenie żeliwa maleje po czym powtórnie rośnie, podobnie jak wydłużenie żeliwa hartowanego w temperaturze 250 o C. Twardość żeliwa w obu wypadkach maleje początkowo wraz zew zrostem czasu wyżarzania (rys.4b) by po upływie 400h ustalić się na poziomie ok. 38HRC oraz 36HRC, odpowiednio dla żeliwa hartowanego w 250 i 300 o C. Nie wnikając w szczegóły procesów wydzieleniowych zachodzących podczas wyżarzania takie zachowanie nie jest zaskoczeniem. Jest ono spowodowane procesami rozpadu austenitu przechłodzonego, w wyniku którego powstają drobnodyspersyjne węgliki umacniające wydzieleniowo. Wzrostowi twardości (rys.4b) towarzyszy zmniejszenie ciągliwości (rys.4a). W miarę wzrostu wydzieleń, czemu sprzyja dłuższy czas wyżarzania, stają się one mniej skutecznymi przeszkodami dla ruchu dyslokacji co prowadzi do wzrostu wydłużenia (rys.4a) przy równoczesnym spadku twardości (rys.4b). Na pierwszy rzut oka taka interpretacja nie koresponduje z przebiegiem R m i R 0.2 (rys. 3a i b). W tym miejscu należy jednak zauważyć, że pokazane tam krzywe pokazują tylko linię trendu, która przy znacznym rozrzucie wyników jest bardzo przybliżona. Stąd widoczne na rys.3 położenie maksimów należy traktować z dużą dozą ostrożności. Po drugie, tak R m jak i R 0.2 są bardzo wrażliwe na obecność karbów jakimi są wydzielenia grafitu zwartego. Działanie karbu jest oczywiście zdecydowanie mniejsze niż w wypadku grafitu płatkowego ze względu na brak tak ostrych spiczastych zakończeń, stanowiących silne koncentratory naprężenia. Poza tym, statystyczny rozkład wydzieleń uniemożliwia dokła d- ną ocenę zachowania się żeliwa bez ilościowej oceny udziału i rozkładu wielkości grafitu wermikularnego. 133
5. WNIOSKI Wyniki uzyskane w pracy oraz ich analiza umożliwia sformułowanie następujących wniosków: 1. Hartowanie izotermiczne żeliwa z grafitem mieszany (sferidalnym i zwartym) w temperaturze 300 i 350 o C umożliwia uzyskanie żeliwa o niezłych własnościach wytrzymałościowych. 2. Własności te są mniejsze niż żeliwa ADI i limitowane przez kształt i wielkość wydzieleń grafitu zwartego. 3. Twardość żeliwa hartowanego izotermicznie zawierającego wydzielenia grafitu zwartego jest porównywalna z twardością żeliwa ADI i zależy od temperatury hartowania. LITERATURA [1] Proc. 7 th Int. Symp. Science and Processing of Cast Iron, Barcelona, 4-6.09. 2002 [2].http://indigo4.gr.rwth-aachen.de/tlyer/squeeze/pic3.html [3] Dawson S.: Mechanical and Physical Properties of Compacted Graphite Iron et Elevated Temperatures, Proc. 26 th Int.Symp. on Automotive Technology aand Automation ISATA Dedicated Conf. on New and Alternative Materials for Automotive Industries, Aa, Germany 13-1t. Sept., 1993 [4] Davson S., Marcks von Würtberg J.: Practical Experiences with Compacted Grapfite Iron as a Material for Automotive Components, Proc. 26 th Int.Symp. on Automotive Technology aand Automation ISATA Dedicated Conf. on New and Alternative Materials for Automotive Industries, Aa, Germany 13-1t. Sept., 1993 THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF ION WITH MIXED GRAPHITE SUMMARY The results of structural and mechanical properties investigations of iron with mixed graphite isothermaly guenched at the temperature 300 o C (type A) and 350 o C (type B) The quenched test casting, the matrix of which was ausferrite, were isothermaly annealed at the temperature 250 (A) and 300 (B) up to 1000h. The long term annealing caused decrease the strength properties of iron accompanied with some increase of ductility. Finally it was concluded that the mechanical properties of iron with mixed graphite ist determined by the shape, size and distribution of compacted graphite. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 134