12/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY ŻELIWA SFEROIDALNEGO PODCZAS CIĄGŁEGO CHŁODZENIA T. SZYKOWNY 1 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-791 Bydgoszcz STRESZCZENIE Niestopowe żeliwo sferoidalne austenityzowano w temperaturze 875 lub 1000 o C, a następnie chłodzono w sposób ciągły. Prędkość chłodzenia V 800 500 mieści się w zakresie 0,026 8,82 o C/s. Sporządzono wykresy CTPc. Określono ilościowy skład strukturalny osnowy żeliwa w zależności od prędkości chłodzenia. Zinterpretowano zależność kinetyki przemiany eutektoidalnej od temperatury austenityzowania. Key words: ductile cast iron, CCT diagrams 1. WSTĘP Ze względów ekonomicznych i techniczno-organizacyjnych najkorzystniejszą sytuacją byłoby, gdyby w odlewni wytapiano jeden lub dwa podstawowe gatunki żeliwa, natomiast pozostałe, uzyskiwane były na drodze obróbki cieplnej. Rodzaje ob róbki cieplnej, w których ostateczna struktura osnowy kształtuje się podczas przemiany eute k- toidalnej to normalizowanie i ferrytyzowanie żeliwa. Częstokroć stawiany jest wymóg określonego udziału poszczególnych składników osnowy [1]. Tak więc informacja o wpływie prędkości chłodzenia, poprzez zakres przemiany eutektoidalnej, której fun k- cją jest struktura obrabianego cieplnie żeliwa, ma zasadnicze znaczenie praktyczne. Celem normalizowania jest otrzymanie możliwie maksymalnej zawartości perlitu gwarantującej wysokie własności wytrzymałościowe (R m do 900 MPa) przy wydłużeniu A 5 co najmniej 2 %. Celem ferrytyzowania jest uzyskanie czysto ferrytycznej osnowy, co z kolei skutkuje najwyższą plastycznością (A 5 do 22 %) [2 ]. 1 dr inż., e-mail: Tadeusz.Szykowny@mail.atr.bydgoszcz.pl 111
Chłodzenie odlewów podczas normalizowania odbywa się zazwyczaj w spo - kojnym powietrzu. Prędkość chłodzenia jest zatem bezpośrednią funkcją grubości ścian odlewu. Dla otrzymania w pełni perlitycznej osnowy stosowane bywa również chłodzenie w strumieniu sprężonego powietrza [3]. J. Piaskowski i A. Jankowski [1] podają, że w żeliwie sferoidalnym o zawartości 2,75 2,85 % Si przy prędkości chłodzenia 0,92 1,08 o C /s w zakresie krytycznym otrzymuje się 5 %, przy prędkości 0,58 0,67 o C /s 10 %, a przy prędkości 0,33 o C /s 20 % ferrytu. Według I.A. Solncewa [4] prędkość chłodzenia wynosząca 2,5 o C /s pozwala uzyskać w żeliwie w pełni perlityczną osnowę. Z wykresów CTPc sporządzonych przez R.I. Pletnika i M.P. Brauna [5 ] wynika, że przy zawartości w żeliwie 0,58 % Mn prędkość chłodzenia powinna być większa od 4 o C /s, przy zawartości 1,02 % Mn większa od 3,11 o C /s, a przy zawartości 1,89 % Mn większa od 0,11 o C /s aby uniknąć wydzielania się ferrytu. W praktyce przemysłowej dla uzyskania perlitycznej osnowy w stanie lanym (bez obróbki cieplnej) stosuje się najczęściej dodatki cyny lub miedzi [6 ]. Jednakże, jak podaje J. Drabina [7], również przy zawartości 0,05 % Sn minimalna prędkość chłodzenia gwarantująca w pełni perlityczna osnowę wynosi 3 o C /s. Autorzy pracy [8] normalizowali klinowe próbki żeliwa sferoidalnego o zawartości 1,17 lub 0,65 % Mn, stosując temperaturę austenityzowania 900, 1000 lub 1100 o C w czasie 2 lub 16 godzin. Prędkość chłodzenia zmieniała się od 0,77 o C /s (grubość ścianki 11,5 mm) do 0,36 o C /s (grubość ścianki 50 mm). Z badań metalograficznych otrzymano, iż zwiększaniu zawartości perlitu sprzyja większa zawartość Mn, większa prędkość chłodzenia, wyższa temperatura austenityzowania. Austenityzowanie w skra j- nych warunkach (1100 o C, 16h) czyni strukturę praktycznie niezależną od prędkości chłodzenia (grubości ścianki), która praktycznie staje się niemal całkowicie perlityczną (ok. 99,5 % perlitu w żeliwie o zawartości 1,17 % Mn). Automatyzacja, a współcześnie szeroko wprowadzana do procesów obróbki cieplnej komputeryzacja wymaga informacji na temat kinetyki przemian zachodzących w stopach. Służy ona optymalizacji parametrów obróbki cieplnej. Najpełniejszy obraz kinetyki przemiany eutektoidalnej dają wykresy CTPc. Przy znanej prędkości chłodzenia pozwalają one prognozować strukturę, a zatem i własności obrabianych cieplnie odlewów. Bezpośrednim celem pracy jest określenie i zinterpretowanie wpływu prędkości chłodzenia i temperatury austenityzowania na strukturę i twardość niestopowego żeliwa sferoidalnego o małej skłonności do grafityzacji. Wykresy CTPc jak i zależność strukt u- ry i twardości od prędkości chłodzenia mogą w praktyce posłużyć do sterowania własnościami żeliwa. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto jeden gatunek niestopowego żeliwa sferoidalnego o nas - tępującym składzie chemicznym: C- 3,53; Si 2,81; Mn 1,17; P 0,11; S 0,015, Cr 0,01; Cu 0,04; Ti - 0,1; Mg 0,08 %. Żeliwo posiada wytrzymałość na rozciąganie R m =589 MPa, wydłużenie A 5 = 3,9 %, twardość HB = 241. 112
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Żeliwo w stanie lanym zawiera 9,7 % objętość kulkowego grafitu, 80,5 % perlitu, 19,5 % ferrytu w osnowie. Żeliwo wytopiono w żeliwiaku kwaśnym z grzanym dmuchem z wsadu składającego się z surówki hematytowej i złomu obiegowego żeliwa sferoidalnego. Żeliwo sferoidyzowano w zbiorniku żeliwiaka stopem ML5, a modyfikowano żelazokrzemem FeSi75 na rynnie spustowej. Żeliwo odlano do form piaskowych w postaci klinowych próbek YII. Z prostopadłościennej części próbki YII pobrano rurkowe próbki dylatometryczne o wymiarach 5x 3x20mm. Badania dylatometryczne wykonano na zmodernizowanym dylatometrze LS4 (indukcyjny przetwornik przemieszczeń, zapis krzywej dylatometrycznej na rejestratorze XY wyposażonym w generator znaczników czasu). Próbki nagrzewano do temperatury austenityzacji 875 lub 1000 o C z piecem, a po półgodzinnej austenityzacji chłodzono z kontrolowaną prędkością dokonując zapisu krzywej dylatometrycznej. Przyjęto dwanaście wartości prędkości chłodzenia mieszczących się w zakresie 0,026 8,82 o C /s. Na podstawie znajomości krzywych chłodzenia i temperatur A r1,1, A r1,2, M s sporządzono wykresy CTPc. Próbki dylatometryczne poddawano ilościowej analizie metalograficznej metodą siatki punktów [9] oraz pomiarom twardości metodą Vickersa HV5. Austenityzowaniu poddano również płyty żeliwne o grubości 12, 25 i 75 mm. Rejestrowano krzywe chłodzenia z których określano prędkość chłodzenia V 800-500. Z miejsca pomiaru temperatury (środek płyty) pobierano próbkę, na której również wykonywano ilością analizę metalograficzną. 3. WYNIKI BADAŃ WRAZ Z ICH ANALIZĄ Z wykresu CTPc żeliwa austenityzowanego w temperaturze 875 o C wynika, iż w temperatura A r1,1 jak i A r1,2 na ogół maleje wraz ze zwiększającą się prędkością chłodzenia (rys.1). Na wykres CTPc nałożono również krzywe chłodzenia płyt żeliwnych o grubości 25 lub 75 mm. Efekt cieplny związany z przemianą eutektoidalną w tych płytach mieści się w zakresie temperatur krytycznych wyznaczonych dylatometrycznie. Podobne obserwacje można poczynić również dla żeliwa austenityzowanego w temp e- raturze 1000 o C (rys. 2). 113
Rys.1. Fig.1. Wykres CTPc żeliwa austenityzowanego w temperaturze 875 o C CCT diagram of cast iron austenitized in the temperature of 875 o C Rys.2. Fig. 2. Wykres CTPc żeliwa austenityzowanego w temperaturze 1000 o C CCT diagram of cast iron austenitized in the temperature of 1000 o C Porównanie przebiegów linii CTPc żeliwa austenityzowanego w temperaturze 875 o C i żeliwa austenityzowanego w temperaturze 1000 o C (rys.3) pozwala zaobserwować, iż istnieje pewna graniczna prędkość chłodzenia V g żeliwa (około prędkości 114
ARCHIWUM ODLEWNICTWA V6) rozdzielająca obszar przemiany eutektoidalnej na dwa zakresy. Dla prędkości chłodzenia mniejszej od prędkości granicznej wzrost temperatury austenityzacji obniża wartości temperatury początku i końca przemiany eutektoidalnej, natomiast dla prędkości chłodzenia większej od prędkości granicznej wzrost temperatury austenityzacji podwyższa wartości temperatury przemiany eutektoidalnej. Obrazowo przedstawiono tę zależność schematem na rys. 4. Rys.3. Fig.3. Porównanie wykresów CTPc żeliwa austenityzowanego w temperaturze 875 lub 1000 o C Comparison of CCT diagrams of cast iron austenitized in the temperature of 875 o C and 1000 o C Rys.4. Fig. 4. Schemat wpływu temperatury austenityzowania na położenie linii CTPc Scheme of influence of austenitizing temperature on position of the curves of CCT diagram Ze względu na rodzaj otrzymanych w wyniku ciągłego chłodzenia składników strukturalnych osnowy można wyodrębnić trzy zakresy prędkości chłodzenia. W os - nowie żeliwa chłodzonego z prędkością V1 (8,11 8,82 o C /s) istnieje jeden produkt 115
przemiany eutektoidalnej ścisły perlit. Występuje on w niewielkiej ilości na tle martenzytu, głównie w obszarach granicznych ziarn eutektycznych. W żeliwie austenityzowanym w temperaturze 1000 o C obserwuje się dodatkowo w pełni rozwiniętą siatkę cementytu drugorzędowego (ok. 5 % objętości) (rys.5). Żeliwo chłodzone z prędkością V2 V4 (3,89 2,63 o C /s) ma osnowę złożoną z produktów przemiany eutektoidalnej wg układu metastabilnego i stabilnego tj. perlitu i ferrytu oraz martenzytu. Żeliwo chłodzone z prędkością mniejszą od V6 (2,00 2,16 o C /s) doznaje przemiany eutektoidalnej w całej objętości osnowy). Austenit przemienia się w ferryt otoczkowy i perlit. Ze zmnie j- szaniem prędkości chłodzenia wzrasta zawartość ferrytu (rys.5), który tworzy ciągłe otoczki wokół grafitu. Rys.5. Struktura i twardość żeliwa jako funkcja prędkości chłodzenia V 800-500, P = perlit, F ferryt, M- martenzyt, C s cementyt wtórny siatkowy Fig. 5. Structure and hardness of cast iron as the function of cooling speed V 800-500, P pearlite, F ferrite, M martensite, C s secondary reticular cementite Analiza struktury końcowej żeliwa uzyskanej w wyniku ciągłego chłodzenia (rys.5), ujawnia, iż niemożliwa jest pełna perlityzacja osnowy żeliwa. Zakresy prędkości chłodzenia, podczas którego zachodzi przemiana według układu stabilnego lub metastabilnego częściowo wzajemnie się nakładają. Zakresy prędkości chłodzenia, w kt ó- rych współistnieją ferryt i perlit wraz z martenzytem wynoszą: dla żeliwa austenityzowanego w temperaturze 875 o C od 2,0 do 3,75 o C/s, dla żeliwa austenityzowanego w temperaturze 1000 o C od 2,14 do 3,89 o C/s. Prędkość chłodzenia, przy której otrzymuje 116
ARCHIWUM ODLEWNICTWA się maksimum perlitu w żeliwie austenityzowanym w temperaturze 875 o C wynosi 2,0 o C/s, (96,6 % perlitu) a w żeliwie austenityzowanym w temperaturze 1000 o C wynosi 2,4 o C/s (96,0 % perlitu). Na podstawie powyższych danych można stwierdzić, iż niższa temperatura austenityzacji (mniejsza zawartość węgla w austenicie) wywołuje przesunięcie wykresu CTPc w prawo. W przypadku żeliwa austenityzowanego w temperaturze 1000 o C większa wejściowa zawartość węgla w austenicie powoduje dla prędkości większych od granicznej, wydzielanie przedeutektoidalnego cementytu siatkowego, od granicy którego krystalizuje perlit. Stąd obserwowane jest wyższe położenie temperatur A r1,1 i A r1,2 dla tego przypadku. W zakresie prędkości mniejszych od prędkości granicznej przemiana eutektoidalna rozpoczyna się i kończy w niższej temperaturze, gdyż większa ilość węgla z austenitu musi być odprowadzana do wydzieleń grafitowych (grafit wtórny) przed przemianą eutektoidalną, która rozpoczyna się według układu stabilnego [10 ]. Prędkość chłodzenia płyt żeliwnych o grubości 25 lub 75 mm z temperatury 875 o C wynosi odpowiednio 0,42 i 0,21 o C/s, a chłodzonych z temperatury 1000 o C 044 i0,24 o C/s. Prędkość V 800-500 płyty o grubości 12 mm chłodzonej z temperatury 1000 o C wynosi 1,16 o C/s. Struktura i twardość płyty o grubości 25 mm i 12 mm wykazuje dobrą zgodność ze strukturą i twardością próbki dylatometrycznej chłodzonej ze zbliżoną prędkością. 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wykazują, iż zarówno prędkość chłodzenia jak i temp e- ratura austenityzowania w szerokim zakresie kształtują skład strukturalny a więc i właściwości żeliwa. Zakres prędkości chłodzenia, dla którego otrzymuje się w osnowie jednocześnie perlit, ferryt i martenzyt, wyklucza istnienie prędkości chłodzenia, gwarantującej całkowicie perlityczną osnowę żeliwa. Wyższa temperatura austenityzacji żeliwa chłodzonego z prędkością mniejszą od 1,35 o C/s powoduje nieco większą zawartość perlitu. Jakkolwiek wyższa temperatura austenityzacji sprzyja pełniejszemu ujednorodnieniu osnowy, co zawsze jest korzystne, to w żeliwie chłodzonym z większą prędkością od 1,35 o C./s występuje cementyt wtórny siatkowy. Obecność tego składnika struktury jest szkodliwa. Normalizowanie odlewów o grubości ścianki większej od 12 mm austenityzowanych w temperaturze 1000 o C nie grozi wystąpieniem cementytu siatkowego. Chłodzenie żeliwa w zakresie prędkości 2,0 0,026 o C/s zmienia skład żeliwa od perlityczno-ferrytycznego o zawartości ok. 96 % perlitu do ferrytycznoperlitycznego o zawartości 34 42 % perlitu, zależnie od temperatury austenityzowania. Podany w pracy wykres struktury i twardości pozwala, przy znanej prędkości chłodzenia (grubość ścianki odlewu) prognozować strukturę i własności odlewów żeliwnych poddanych obróbce cieplnej z przemianą eutektoidalną. 117
LITERATURA [1] J. Piaskowski, A. Jankowski: Żeliwo sferoidalne. WNT, Warszawa, (1974) [2] L.A. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Gliwice-Warszawa, (2002). [3] P.S. Cowen: Foundry, nr 10, s.78, (1971). [4] I.A. Solncev: Lit. Proizv, nr 6, s.3, (1976). [5] I.R. Pletnik., M.P. Braun.: Metallov. i Term. Obrob. Met, nr 4, s.65, (1966). [6] A.Kosowski., C. Podrzucki.: Żeliwo stopowe. Wyd. II zmienione. Skrypty Uczelniane Nr. 825. Wyd. AGH-Kraków, (1981). [7] J. Drabina.: Obróbka cieplna żeliwa. Narada Monotematyczna, IMP, Serpelice s.22, (1979). [8] T. Szykowny., H. Oleszycki.: BTN. Prace Wydz. Nauk Techn., seria B, s. 59 (1981). [9] J. Ryś.: Stereologia materiałów. Kraków, (1995). [10] T. Szykowny: Badania własne niepublikowane. SUMMARY DUCTILE CAST IRON STRUCTURE FORMING DURING CONTINUOUS COOLING Plain ductile cast iron first was austenitizing in temperature of 875 or 1000 o C and next it was cooling in continuous way. Coolin speeds V 800-500 were in the range from 0,026 to 8,82 /s. CCT diagrams were plotted. Qualitative structural compos ition of cast iron matrix in the function of cooling speed was temperature of austenitizing was discussed. Recenzował: prof. dr hab. inż. Marcin Perzyk 118