54/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WĘGLOAZOTOWANIE JAKO ELEMENT OBRÓBKI CIEPLNEJ DLA ŻELIWA ADI D. MYSZKA 1, M. KACZOROWSKI 2 Zakład Odlewnictwa, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań strukturalnych, twardości oraz odporności na zużycie przez tarcie żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie w złożach fluidalnych. Przedmiotem badań było żeliwo ADI o wysokich własnościach zarówno rdzenia jak i powierzchni. Odpowiednie własności powierzchniowe uzyskano za pośrednictwem procesu węgloazotowania, który został adaptowany do cyklu obróbki cieplnej dla żeliwa ADI. Okazuje się, iż w wyniku takiej połączonej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej można uzyskać twardość o ponad 100 jednostek µhv większą niż dla materiału rodzimego, wysoką odporność na zużycie ścierne oraz znacząco poprawić energochłonność cyklu przez zespolenie dwóch procesów obróbczych. Wydaje się, iż jest to ciekawy temat badawczy wskazujący również na możliwości aplikacyjne. Keywords: ADI, carbonitriding, fluid beds, hardness, microstructure 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie (ADI) charakteryzuje się unikalnymi właściwościami. Wysoka wytrzymałość i plastyczność, dobra wytrzymałość zmęczeniowa oraz odporność na zużycie ścierne, jak również o 10% mniejsza od stali gęstość wskazują, iż jest to materiał konstrukcyjny o wielkim potencjale. Jak wynika jednak z analizy rynkowej potencjał ten, zwłaszcza w Polsce, nie jest odpowiednio wykorzystywany. Przedstawione w artykule 1 mgr inż., dawidmyszka@poczta.onet.pl. 2 prof. dr hab. inż., mkaczorowski@wip.pw.edu.pl
409 zagadnienia są ciekawą, niestandardową propozycją wytwarzania tego materiału z dodatkową modyfikacją jego powierzchni jako elementu często niezbędnego dla otrzymywania finalnych wyrobów żeliwnych. Azotowanie, węgloazotowanie i inne metody modyfikacji powierzchni elementów żeliwnych mają zazwyczaj zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Niektóre części samochodów, np. silników czy zespołów przekładniowych, wymagają podwyższonych właściwości trybologicznych warstwy wierzchniej wyrobów. Z tej perspektywy, żeliwo ADI prezentujące niezwykle korzystne właściwości objętościowe w połączeniu z bardzo dobrymi własnościami powierzchni, może być niezwykle atrakcyjnym materiałem. Proponowany proces węgloazotowania żeliwa ADI jest nowym spojrzeniem na samą istotę prowadzenia takiej obróbki. Otóż, zakłada on, iż w tym samym cyklu przeprowadzone zostanie równocześnie nasycenie warstwy wierzchniej pożądanymi pierwiastkami oraz uzyskanie założonej struktury rdzenia. Schemat zaproponowanej obróbki przedstawia rys. 1. Jest to specyficzny przykład obróbki cieplnej, a w zasadzie cieplno-chemicznej, w celu otrzymywania ADI. W tym procesie zmienia się jedynie atmosfera dozowana do pieca austenityzującego z ochronnej na aktywną. Jest jednak jeszcze jeden ważny aspekt zaproponowanego połączenia obróbki cieplnej z obróbką cieplno-chemiczną. Po procesie węgloazotowania praktycznie wyklucza się stosowanie obróbki mechanicznej niszczącej warstwę wierzchnią wytworzonego materiału. Przy konwencjonalnym otrzymywaniu ADI taka obróbka jest niezbędna. W wypadku procesu austenityzacji oraz wykorzystania kąpieli solnych do hartowania izotermicznego, możemy mieć do czynienia ze znaczną ingerencją w strukturę i jakość przygotowanej wcześniej powierzchni. Odwęglenie powierzchniowe, procesy korozyjne, zanieczyszczenia powierzchni, gorsza skrawalność materiału po umacniającej go obróbce cieplnej to aspekty, dla których w znacznej mierze alternatywa proponowanego rozwiązania może być korzystna. Hartowanie izotermiczne w tym wypadku odbywa się w złożu fluidalnym, które korzystnie wpływa na jakość powierzchni wyrobów w nim obrabianych. Z tego powodu przedmioty po węgloazotowaniu w temperaturze austenityzacji oraz następującym po nim cyklu hartowania izotermicznego w złożu fluidalnym mogą być od razu przekazane do eksploatacji.
410 Rys. 1. Schemat połączonej obróbki cieplnej żeliwa sferiodalnego z jego węgloazotowaniem. Fig. 1. The schema of ductile iron heat treatment with additional carbonitriding Tak zaprojektowany proces jest uzasadniony jedynie wtedy, kiedy rzeczywiście korzystnie wpływa na własności powierzchni wytwarzanych wyrobów. Jakość tej powierzchni można ocenić wg kilku mierzalnych czynników: 1. chropowatość powierzchni; 2. twardość powierzchniowa µhv; 3. odporność na zużycie przez tarcie; 4. odporność korozyjna. Realizacja znacznej części tych badań na uzyskanym materiale stanowi wstęp do dalszych prac prowadzonych w ramach proponowanej technologii. 2. METODYKA BADAŃ Obróbce cieplnej poddano żeliwo sferoidalne o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Dla odpowiednio przygotowanych próbek przeprowadzono cztery warianty obróbki celem otrzymania żeliwa ADI przedstawione w tabeli 2. Każdy z obrabianych zestawów składał się z próbki przeznaczonej do badań wytrzymałości na rozciąganie oraz trzech próbek do badań odporności na zużycie przez tarcie.
411 Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa [%wag.] Table 1. Chemical composition of the iron [wt.%] C Si Mn P S Cr Cu Mg 3,66 2,34 0,26 <0,05 <0,02 <0,03 0,91 0,061 Tabela 2. Parametry obróbki cieplnej (cieplno-chemicznej) Table 2. Parameters of the heat treatment Wariant I Wariant II Wariant III Wariant IV Temperatura austenityzacji/czas atmosfera Temperatura hartowania izotermicznego/czas 850ºC/2godz. 850ºC/2godz. 850ºC/2godz. 850ºC/2godz Endo. + NH 3 brak Endo. + NH 3 brak 300ºC/40min. 300ºC/40min 350ºC/40min. 350ºC/40min Kolejne badania obejmowały: badania własności mechanicznych na maszynie wytrzymałościowej celem wyznaczenia: R m, R 0,2 i A 5, badania twardości HRC i mikrotwardości HV1, a także badania odporności na zużycie przez tarcie (metoda trzy wałeczki + stożek przy obciążeniach jednostkowych 100 i 200MPa) próbek po węgloazotowaniu. Ponadto dla wszystkich próbek wykonano obserwacje mikroskopowe na mikroskopie świetlnym typu OLYMPUS IX70. 3. WYNIKI BADAŃ I WNIOSKI Na podstawie badań wytrzymałościowych sklasyfikowano otrzymany materiał jako spełniający wymagania Polskiej Normy dla dwóch gatunków żeliwa sferoidalnego hartowanego z przemianą izotermiczną (ADI). Również pomiary twardości wykazały, iż materiał spełnia wymagane minimum. Pomiary µhv były wykonane zarówno na rdzeniu próbki jak i na jej powierzchni. Badania te wykazały istotne różnice pomiędzy próbkami obrobionymi cieplnie w sposób konwencjonalny, a tymi austenityzowanymi w atmosferze z dodatkiem NH 3. Wyniki pomiarów twardości zamieszczone są na rys. 2. Wynika z nich jednoznacznie, że twardość na powierzchni próbek poddawanych dodatkowemu węgloazotowaniu jest wyraźnie większa niż na próbkach austenityzowanych konwencjonalnie. Przeprowadzone zostały również badania odporności na zużycie przez tarcie, których nie zamieszczono w artykule. Zużycie ścierne na badanych próbkach wykazało podobny charakter do tego, jakie przedstawiano w pracach innych autorów poddających żeliwo sferoidalne azotowaniu bądź węgloazotowaniu [1].
412 HV1 (rdzeń) HV1 (pow ierzchnia) Mikrotwardość HV1 600 500 400 300 200 100 362 483 530 383 383 372 393 353 0 I II III IV Warianty obróbki cieplnej Rys. 2. Wyniki pomiarów mikrotwardości HV1 próbek dla poszczególnych wariantów obróbki cieplnej; (Twardość rdzenia dla wariantów I, II, III, IV wynosiła odpowiednio: 43, 41, 36, 35 HRC). Fig. 2. Microhardness HV1 of the specimens after different heat treatment samples. (Core hardness of the specimens numbered I, II, III and IV is equal: 43, 41, 36 and 35 HRC respectively). a) b) Rys. 3. Fot. x1500. Mikrostuktura warstwy powierzchniowej żeliwa ADI, Ti=300ºC; a) Obróbka konwencjonalna, b) Obróbka cieplna z węgloazotowaniem; Fig. 3. Fot. x1500. The microstructure of ADI surface layer, Ti=300ºC; a) Conventional ADI heat treatment, b) ADI heat treatment with additional carbonitriding. Na rys.3a,b przedstawiono zdjęcia metalograficzne mikrostuktury warstwy wierzchniej ADI po konwencjonalnej obróbce cieplnej (rys.3a) oraz po
413 węgloazotowaniu z hartowaniem izotermicznym (rys.3b). Próbka na rys.3a wskazuje na charakterystyczne odwęglenie po procesie austenityzacji. Z kolei mikrostruktura iglasta na rys.3b od samej krawędzi powierzchni sugeruje nasycenie węglem próbki węgloazotowanej, które umożliwia jej zahartowanie. Jej wysoka twardość (zdecydowanie wyższa niż twardość rdzenia) sugeruje jednak bardziej skomplikowany proces umocnienia. Na podstawie uzyskanych wyników można wnioskować, że zaproponowany cykl obróbki cieplno-chemicznej dla żeliwa ADI jest procesem znacznie podwyższającym jego twardość powierzchniową. Podwyższenie twardości powierzchniowej w stosunku do rdzenia o 100 jednostek HV1 to wymierny efekt przeprowadzonych badań. Pomiary odporności na zużycie przez tarcie wykazały podobny wpływ proponowanej metody na własności warstwy wierzchniej do innych rodzajów obróbek cieplno-chemicznych, prowadzonych dla wyrobów żeliwa sferoidalnego. Szczególnym rezultatem powyższych badań jest ugruntowanie w przekonaniu o celowości podjęcia dalszych prac nad zaproponowanym procesem. Warto podkreślić, jak ciekawa jest idea zawarta w tym artykule - połączone w jeden dwa różne procesy dające uniwersalny, wymierny efekt to novum, do którego szczególnie ze względów ekonomicznych powinno się dążyć. LITERATURA [1] J.Trojanowski, T.Wierzchoń, H.Kobus, B.Szpulski: Modyfikacje procesu azotowania jonowego w celu zwiększenia własności użytkowych wyrobów z żeliwa. Inżynieria Powierzchni, 1999, nr1, s.3-9; [2] L.A.Dobrzański: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. Wyd.WNT, Warszawa (1998); [3] D.Myszka, M.Kaczorowski: Hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego w złożach fluidalnych. Acta Metallurgica Slovaca, 2002, nr8, s.89-94. CARBONITRIDING AS AN ELEMENT OF ADI HEAT TREATMENT SUMMARY In the article were presented the microstructure, hardness and wear resistance of ductile iron austempered in fluid bed. The study investigates ADI with high properties such the core as the surface as an effect of one cycle heat treatment process. Good mechanical properties of the surface were obtained with addition of carbonitriding and ADI heat treatment process. The using such treatment cause significant increasing of the ADI surface hardness. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski