1/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 25, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 25, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-538 WPŁYW MATERIAŁÓW WSADOWYCH I TECHNOLOGII WYTOPU NA WŁAŚCIWOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO D. BARTOCHA 1, K. JANERKA 2, J. SUCHOŃ 3 Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Zakład Odlewnictwa Politechniki Śląskiej ul. Towarowa 7, 44-1 Gliwice STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań podstawowych właściwości mechanicznych i analizy ilościowej i jakościowej struktury pięciu wytopów żeliwa sferoidalnego klasy EN-GJS-5-7 przeprowadzonych z użyciem różnych materiałów wsadowych i różnych sposobów nawęglania w przypadku żeliwa syntetycznego. Uzyskane wyniki poddano analizie porównawczej, której wyniki i wnioski na ich podstawie sformułowane zamieszczono w artykule. Key words: ductile cast iron, mechanical properties, charge materials. 1. WSTĘP Funkcjonowanie odlewni w warunkach gospodarki rynkowej wymaga od ich wyrobów konkurencyjności tzn. oferowania odlewów o wyższych właściwościach eksploatacyjnych za cenę niższą od konkurencji. Aby sprostać takim wymogom odlewnie poszukują różnych dróg redukcji kosztów. W przypadku odlewów z żeliwa sferoidalnego najprostszym sposobem wydaje się częściowe lub całkowite wyeliminowanie z procesu produkcyjnego drogiej (drożejącej) wysokojakościowej surówki oraz zastąpienie także drogiego (drożejącego) wysokiej jakości złomu stalowego tańszym złomem niższej jakości. Jednakże zrezygnowanie z surówki i dobrej jakości złomu stalowego i zastosowanie żeliwa syntetycznego w produkcji odlewów 1 dr inż. dariusz.bartocha@polsl.pl 2 dr inż. krzysztof.janerka@polsl.pl 3 dr inż. jacek.suchon@.polsl.pl 17
z żeliwa sferoidalnego w myśl teorii o przekazywaniu przez surówkę dobrych cech żeliwu wydaje się niemożliwe. Dlatego w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Śląskiej porównano właściwości żeliwa sferoidalnego wytopionego z różnych materiałów wsadowych w tym także żeliwa syntetycznego. Doświadczalne wytopy przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych (niewielka masa i grubość ścianki odlewu), wydaje się jednak, że chociaż w części uzyskane wyniki można przełożyć na warunki przemysłowe. 2. BADANIA Eksperyment polegał na przeprowadzeniu pięciu wytopów żeliwa sferoidalnego klasy EN-GJS-5-7. Różnice pomiędzy wytopami polegały przede wszystkim na zastosowaniu różnych materiałów wsadowych. Udział we wsadzie zastosowanych materiałów (SS - surówka specjalna Sorel, SP surówka przeróbcza, ZS złom stalowy, ZO złom obiegowy żeliwa sferoidalnego, FeSi - żelazo krzem, FeMn żelazo mangan, Mg2SiCE drut rdzeniowy) i charakterystyczne temperatury (T sf temperatura sferoidyzacji, T zal temperatura zalewania) dla poszczególnych wytopów zestawiono w tablicy 1. Tablica 1. Namiary wsadowe dla poszczególnych wytopów Table 1. Charge burden for each melt SS SP ZS ZO ZG FeMn FeSi Mg2SiCE Wytop [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [m] T sf C T zal C W1 13,3 1,3 - -,4,35,8 125 13 W2-11,18 3,342 1,156 -,37 1 13 135 W3-11,18 3,144 1,44 -,37 1 125 135 W4-11,5,25 3 - -,35 1 125 135 W5 1, 1,1 2 3 -,4,35 1 125 135 1 - górna wartość oznacza ilość grafitu podanego do pieca wraz z innymi materiałami wsadowymi, dolna ilość grafitu podanego na powierzchnię ciekłego metalu, 2 - blacha stalowa ocynkowana. Wytopy przeprowadzono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości o wyłożeniu obojętnym. Ze względu na niewielką masę ciekłego metalu, tylko 16kg, zabieg sferoidyzacji metodą przewodu elastycznego przeprowadzano bezpośrednio w piecu, w badaniach używano drutu rdzeniowego Mg2SiCE firmy PRODRUT. Po sferoidyzacji metal wymagał podgrzania do odpowiednio wysokiej temperatury gwarantującej wypełnienie wnęki formy, w której dodatkowo żeliwo poddawano modyfikacji metodą in-mold stosując zaprawę modyfikującą dla żeliwa sferoidalnego GERMALLOY K2 w postaci systemu modyfikująco-filtrującego INFERR 5/1-G2 18
ARCHIWUM ODLEWNICTWA firmy Ferro na rysunku 1. Term. Schematycznie konstrukcję wnęki formy przedstawiono Rys. 1. Schemat konstrukcji formy. Fig. 1. Mould scheme. W ramach każdego wytopu wykonano próbki do wyznaczenia podstawowych właściwości mechanicznych tj. udarności i wytrzymałości na rozciąganie oraz próbę ATD. Fragmenty próbki ATD posłużyły do pomiaru twardości, a także do wykonania zgładów metalograficznych w celu przeprowadzenia analizy ilościowej i jakościowej struktury otrzymanego żeliwa. Dodatkowo zalewano także kokilę, w której odlewano próbki do analizy składu chemicznego. 3. WYNIKI W ramach testowych wytopów otrzymano żeliwo sferoidalne o składzie chemicznym i wartościach podstawowych właściwości mechanicznych przedstawionych w tabeli 2. Tabela 2.Skład chemiczny i właściwości mechaniczne otrzymanego żeliwa Table 2. Chemical composition and mechanical properties of obtained cast iron C Si Mn P S Mg U Wytop HB [% ] [% ] [% ] [% ] [% ] [% ] [kj/m 2 ] Rm [MPa] W1 4,1 2,52,13,4,8,4 23 56,7 551 W2 3,56 2,88,22,2,5,11 27 28,2 473 W3 3,53 3,,49,1,5,8 245 45,3 69 W4 3,45 2,61,19,2,9,9 27 4,1 619 W5 3,55 3,49,14,3,6,6 27 41,9 34 średnia 3,62 2,9,23,2,7,7 213,8 42,44 534,6 odch. std.,22,38,15,1,2,3 17,53 1,25 135,3 %odch. std. 6,14 13,21 63,14 47,51 27,52 36,22 8,2 24,15 25,3 19
Na(C)[%] Ponadto przeprowadzono analizę jakościową i ilościową struktury otrzymanego żeliwa. Analizie, z użyciem programu MultiScan 13.1, poddano obraz struktury pochodzący z czterech zdjęć powierzchni zgładów wykonanych z części kubka ATD o średnicy 3mm. Uzyskane wyniki tj. rozkłady procentowego udziału sferoidów (wydzieleń grafitu) w klasach wartości współczynnika kształtu: O C O gdzie: O K obwód koła, O w obwód wydzielenia, dla warunku: K W F W = F K gdzie: F w pole powierzchni wydzielenia, F K pole powierzchni koła, dla każdego wytopu, wraz z przykładowym zdjęciem struktury przedstawiono na rysunkach 2 6. 25, W 1 21,6 23,5 2, 18,15 15, 13,7 1, 8,53 5, 4,54 6,17,,18 1,27 1,63 1,81,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 C=Ok/Ow Rys. 2. Histogram rozkładu procentowego udziału grafitu w klasach C, wytop 1. Fig. 2. Histogram of graphite percentage amount in C classes distribution, melt 1. 2
Na(C)[%] Na(C)[%] Na(C)[%] ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3, W 2 25, 24,32 21,34 2, 17,87 15, 15,14 11,17 1, 5,96 5, 3,23,,,,5,25,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 C=Ok/Ow Rys. 3. Histogram rozkładu procentowego udziału grafitu w klasach C, wytop 2. Fig. 3. Histogram of graphite percentage amount in C classes distribution, melt 2. 45, 4, W 3 4,86 35, 3, 25, 25,93 2, 18,47 15, 1, 8,58 5,,,,,,37,37 1,87,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 C=Ok/Ow Rys. 4. Histogram rozkładu procentowego udziału grafitu w klasach C, wytop 3. Fig. 4. Histogram of graphite percentage amount in C classes distribution, melt 3. 3,54 45, W 4 4, 38,72 35, 3, 26,39 25, 21,53 2, 15, 1, 1,7 5,,,,,,35,17,52,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 C=Ok/Ow Rys. 5. Histogram rozkładu procentowego udziału grafitu w klasach C, wytop 4. Fig. 5. Histogram of graphite percentage amount in C classes distribution, melt 4. 2,26 21
Na Na(C)[%] 35, W 5 33,33 32,2 3, 25, 22,6 2, 15, 1, 9,23 5,,,,,,,38,38,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 C=Ok/Ow Rys. 6. Histogram rozkładu procentowego udziału grafitu w klasach C, wytop 5. Fig. 6. Histogram of graphite percentage amount in C classes distribution, melt 5. 1,69 Wyznaczono także rozkłady procentowego udziału sferoidów w klasach wartości zlogarytmowanego pola powierzchni. Uzyskana rozkłady wraz z dopasowaną statystycznie funkcją aproksymującą o postaci: Z exp( Z( W ln( P / O))) Na( P / O) U (1 exp( Z( W ln( P / O)))) gdzie: U wskaźnik sumarycznej ilości wydzieleń, W zróżnicowanie wielkości wydzieleń, Z średnia logarytmiczna wielkość powierzchni wydzieleń, przedstawiono na rysunkach 2 11. 2 1 9 8 W 1 84 9 8 7 6 65 63 5 44 4 3 2 1 17 22 22 22,3,5,7,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 Rys. 7. Rozkład grafitu w klasach wielkości powierzchni z krzywą aproksymującą, wytop 1. Fig. 7. Histogram of graphite in area size classes distribution with approximation curve, melt 1. log(bd) 33 9 22
Na Na Na ARCHIWUM ODLEWNICTWA 1 9 W 2 91 82 8 7 67 6 5 47 48 4 3 2 1 9 4 6 13 11 22,3,5,7,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 Rys. 8. Rozkład grafitu w klasach wielkości powierzchni z krzywą aproksymującą, wytop 2. Fig. 8. Histogram of graphite in area size classes distribution with approximation curve, melt 2. log(bd) 3 9 W 3 8 7 62 7 77 72 6 5 45 44 4 42 38 3 27 25 2 19 1 4 6 5,3,5,7,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Rys. 9. Rozkład grafitu w klasach wielkości powierzchni z krzywą aproksymującą, wytop 3. Fig. 9. Histogram of graphite in area size classes distribution with approximation curve, melt 3. 12 log(bd) W 4 11 1 11 8 76 6 4 2 3 11 21 39 37 35 29,3,5,7,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Rys. 1. Rozkład grafitu w klasach wielkości powierzchni z krzywą aproksymującą, wytop 4. Fig. 1. Histogram of graphite in area size classes distribution with approximation curve, melt 4. log(bd) 37 46 28 3 23
Na Na 12 W 5 113 1 91 8 68 6 45 51 4 2 1 8 7 27 3 28 26,3,5,7,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 Rys. 11. Rozkład grafitu w klasach wielkości powierzchni z krzywą aproksymującą, wytop 5. Fig. 11. Histogram of graphite in area size classes distribution with approximation curve, melt 5. log(bd) 12 18 6 Graficzne zestawienie funkcji aproksymujących rozkład wydzieleń przedstawiono na rysunku 12 wraz z wartościami współczynników U, W, Z i ich parametrami statystycznymi. U W Z R p(u) p(w) p(z) Y(U) Y(W) Y(Z) W I 58,3 6,3,57,93 4,66E-7 4,73E-6 7,4E-11 5,97,81,27 W II 36,5 1,2,72,95 1,21E-7 1,18E-6 9,79E-15 3,3 1,14,16 W III 62,4 3,9,68,7,266,947 1,73E-5 24,7 2,15,1 W IV 36,7 11,9,81,73,4,44 3,24E-12 7,72 3,42,29 W V 39,3 1,5,77,84 7,47E-5,13 1,49E-12 6,69 2,55,26 1 8 6 W I W II W V W IV 4 W III 2,5 1 1,5 2 2,5 3 log(db) Rys. 12. Graficzne zestawienie krzywych rozkładu wielkości grafitu z każdego wytopu wraz z współczynnikami funkcji aproksymującej i ich parametrami statystycznymi. Fig. 12. Graphic comparisons each melt graphite size curve distribution as well as values of approximation function s coefficient with its statistical parameters. 24
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Analizując uzyskane wyniki można zauważyć podobieństwo pomiędzy histogramami rozkładu ilości wydzieleń grafitu w klasach wielkości pola powierzchni w przypadku żeliwa, do wytopu którego użyto surówki wytop 1, 4 i 5. Takich cech podobieństwa nie wykazują histogramy żeliwa syntetycznego, wskazywałoby to na istnienie zjawiska przekazywania żeliwu właściwości strukturalnych przez surówkę. Różnice obserwowane na histogramach nie znajdują potwierdzenia w wartościach własności mechanicznych badanego żeliwa. Rozbieżności w twardości, jako podstawowym kryterium oceny żeliwa, są niewielkie, natomiast znaczne różnice wartości udarności i wytrzymałości na rozciąganie prawdopodobnie wynikają z jednej strony z nieznacznych różnic w składzie chemicznym z drugiej z różnego stopnia zabielenia próbek o niewielkich rozmiarach wykonanych jako odlewane, a więc odlewów cienkościennych. Można, zatem sformułować następujące wnioski: 1. Żeliwa wytopione z użyciem surówki niezależnie od jej jakości i jakości złomu stalowego wykazują pewne wspólne cechy strukturalne. 2. Badane żeliwo charakteryzuje się zbliżoną twardością, różnice innych właściwości mechanicznych spowodowane są wyższą zawartością Mg i Si w wytopie 2 i 5. 3. Uzyskane wyniki wskazują, iż żeliwo sferoidalne syntetyczne nie ustępuje pod względem właściwości mechanicznych żeliwu wytopionemu z surówki mimo różnic w strukturze. Należałoby jednak zbadać i porównać ich podstawowe właściwości odlewnicze i eksploatacyjne. LITERATURA [1] Bartocha D., Janerka K., Suchoń J.: Materiały wsadowe i technologia wytopu a struktura żeliwa szarego. Archiwum Odlewnictwa, PAN Katowice, nr 14, 24. [2] Janerka K, Bartocha D.: Pneumatyczne nawęglanie przy produkcji żeliwa syntetycznego. Mat. Konf. Współpraca, 24. [3] Janerka K., Bartocha D., Gawroński J.: Technologia nawęglania ciekłych stopów żelaza metodą pneumatycznego wdmuchiwania. Archiwum Odlewnictwa, PAN Katowice, nr 13, 24. [4] Bartocha D., Gawroński J., Janerka K.: Zależność właściwości żeliwa od materiałów wsadowych. Archiwum Odlewnictwa, PAN Katowice, nr 9, 23. 25
INFLUENCE OF CHARGE MATERIALS AND MELT TECHNOLOGY ON DUCTILE CAST IRON PROPERTIES SUMMARY In the article the results of quantitative and qualitative microstructure of five ductile cast irons melts analysis as well as results of basic mechanical properties tests have been presented. EN-GJS-5-7 ductile cast iron obtained in five melts, different taking into account both charge material and carburization methods in case of s ynthetic cast iron have been researched Obtained results were submitted to comparative analysis which results and conclusions formulated on their basis have been presented. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 26