34/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA STRUKTURALNE ŻELIWA ADI OTRZYMANEGO W WYNIKU BEZPOŚREDNIEGO HARTOWANIA IZOTERMICZNEGO Z FORM PIASKOWYCH D. MYSZKA 1, M. KACZOROWSKI 2 1,2) Zakład Odlewnictwa, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań strukturalnych dotyczących bezpośredniego hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego w złożach fluidalnych. Wykazano, iż w wyniku takiej obróbki cieplnej można otrzymać żeliwo sferoidalne ausferrytyczne. Badania tak uzyskanego materiału, za pomocą mikroskopii świetlnej, transmisyjnej i skaningowej mikroskopii elektronowej, ukazują charakter mikrostruktury zbliżony do obserwowanego w żeliwie po konwencjonalnej obróbce cieplnej. Keywords: ADI, direct austempering, structural measurements, fluid beds 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne poddawane hartowaniu izotermicznemu, w wyniku którego otrzymywane jest żeliwo bainityczne, znane jest już od wielu lat. Ostatnim osiągnięciem w tym zakresie jest żeliwo ausferrytyczne - ADI (ang. Austempered Ductile Iron). Materiał uzyskany w ten sposób charakteryzuje się dobrymi jak dla żeliwa właściwościami. Normy amerykańskie, niemieckie, angielskie czy polskie wykazują, iż dla gatunków o wytrzymałości na rozciąganie R m =850MPa (i nieco powyżej) wydłużenie jest większe od 10%. Klasyfikuje się również ten materiał dla R m większego od 1600MPa. 1 mgr inż., dmyszka@wip.pw.edu.pl. 2 prof. dr hab. inż., mkaczorowski@wip.pw.edu.pl
Przy większej od stali zdolności do tłumienia drgań, mniejszej skłonności do zacierania się, lepszej skrawalności w stanie surowym, mniejszej skłonności do odkształceń, tworzywo to jest dobrym materiałem konstrukcyjnym. Są jednak przyczyny, dla których np. w Polsce, nie spotyka się z należnym zainteresowaniem. Problemem jest głównie niedoinformowanie konstruktorów w zakresie stosowania ADI oraz dodatkowe koszty związane z koniecznością prowadzenia obróbki cieplnej. Powoduje to, iż poszukiwane są nowe, tańsze, lepiej dostępne i ekologiczne metody otrzymywania ADI. Takie badania to między innymi podjęte w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej próby zastąpienia złożami fluidalnymi dotychczasowych ośrodków hartowania izotermicznego jakimi są kąpiele solne. Rozwinięciem tych badań jest próba uzyskania żeliwa ausferrytycznego w wyniku uproszczonej obróbki cieplnej polegającej na bezpośrednim hartowaniu izotermicznym w złożu fluidalnym odlewów wybijanych z form odlewniczych. Jest to aspekt szczególnie ciekawy ze względu na połączenie zastosowania ekologicznych złóż fluidalnych z bezpośrednią obróbką cieplną znacznie obniżającą koszty wytwarzania. Aby jednak przekonać się czy zaproponowany proces będzie umożliwiał otrzymywanie wysokiej jakości materiału należy przeprowadzić stosowane badania. Żeliwo ausferrytyczne - ADI swoje doskonałe właściwości zawdzięcza specyficznej strukturze osnowy żeliwa sferoidalnego, na którą składa się mieszanina płytkowego ferrytu oraz przesyconego węglem austenitu. Dlatego też, obok badań właściwości mechanicznych, podjęto wnikliwe badania strukturalne żeliwa sferoidalnego poddanego bezpośredniemu hartowaniu izotermicznemu. 2. BEZPOŚREDNIE HARTOWANIE IZOTERMICZNE Metoda uproszczona zakłada uzyskanie struktury i właściwości żeliwa ADI w wyniku nieco innej niż klasyczna obróbki cieplnej obejmującej następujące etapy (rys. 1): 1. Wybicie odlewów z formy odlewniczej po osiągnięciu przez nie temperatury w granicach 1000-900 C; 2. Chłodzenie odlewów do temperatury wygrzewania izotermicznego w granicach 230-400 C z szybkością zapewniającą uniknięcie tworzenia się perlitu; 3. Wygrzewanie izotermiczne odlewów przez czas wystarczający do utworzenia ausferrytycznej struktury osnowy żeliwa sferoidalnego; 4. Chłodzenie odlewów do temperatury otoczenia. Jak widać (rys.1), wspólnym elementem w przypadku obu sposobów obróbki cieplnej jest hartowanie izotermiczne. Trudno jednak ocenić, czy przemiany zachodzące podczas tego procesu w obu wypadkach będą przebiegać tak samo. Dlatego niezbędna jest przeprowadzenie analizy zjawisk zachodzących podczas krzepnięcia, stygnięcia i
szybkiego chłodzenia odlewu podczas bezpośredniej obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego. Rys. 1. Proponowany cykl uproszczonej obróbki cieplnej i porównanie z cyklem konwencjonalnym; Temperatury: Tz - topienia, To - odlewania, Ta - austenityzacji, Ti - wygrzewania izotermicznego; Fig. 1. The simplified heat treatment and correlation with conventional heat treatment; Temperatures: Tz - melt, To - pooring, Ta - austenitization, Ti - isothermal heating. Bezpośrednia obróbka cieplna zakłada, iż odlew zaraz po zakrzepnięciu i osiągnięciu temperatury 1000-900 C będzie poddany szybkiemu chłodzeniu do temperatury wygrzewania izotermicznego. W takim przypadku mamy do czynienia z hartowaniem izotermicznym osnowy żeliwa sferoidalnego składającej się austenitu nie zrekrystalizowanego [1]. Będzie on miał strukturę składającą się z dendrytów austenitu pierwotnego i ziaren eutektycznych o budowie globularnej. Osnowa żeliwa o takiej mikrostrukturze może charakteryzować się większą mikrosegregacją pierwiastków stopowych, co będzie wskazywać na zróżnicowany charakter przemiany bainitycznej (ausferrytycznej) oraz może być powodem do powstania gruboziarnistej struktury ausferrytycznej. 3. BADANIA MIKROSKOPOWE Do badań mikrostruktury wytypowano po 1 próbce z czterech wariantów bezpośredniej obróbki cieplnej oraz poddano je starannym obserwacjom za pomocą mikroskopu świetlnego OLYMPUS IX70, mikroskopu elektronowego skaningowego HITACHI 3500N i transmisyjnego Philips EM300. Wytypowane warianty to: bezpośrednie hartowanie izotermiczne w temperaturze T 1 =300 C i T 2 =350 C przez czas
wygrzewania izotermicznego t 1 =40min. i t 2 =90min. Badania przeprowadzono na próbkach walcowych o średnicy 12mm z żeliwa sferoidalnego gatunku 500 07 z dodatkiem 0,8%Cu odlewanych do form piaskowych. Hartowanie izotermiczne wykonano w złożu fluidalnym, w którym materiałem ziarnistym był SiC. 3.1. Mikroskopia świetlna Na rys. 2a pokazano mikrostrukturę żeliwa sferoidalnego po bezpośrednim hartowaniu izotermicznym, w której ujawniła się wyraźna budowa dendrytyczna o preferowanej orientacji w kierunku środka próbki walcowej. Badania mikrostruktury wykazały, iż w części centralnej kilku próbek pojawiały się drobne zabielenia otoczone perlitem (rys. 2b). Jakkolwiek nie przeprowadzono szczegółowych badań w tym zakresie to jednak można oczekiwać, że są one wynikiem tzw. wtórnego przechłodzenia [2]. a) b) Rys. 2. a) Struktura dendrytyczna żeliwa sferoidalnego;b) Zabielenia w części centralnej próbki. Fig. 2. a) Dendritic mikrostructure of ductile iron;b) White structure in the middle of sample. a) b) Rys. 3. a) Bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=300 C, t=90min.; b) Bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=350 C, t=90min. Fig. 3. a) Direct austempering T=300 C, t=90min.; b) Direct austempering T=350 C, t=90min.
Wszystkie z badanych próbek wykazały charakterystyczną dla ADI strukturę płytkową. Zauważono, iż zmienia się ona od drobnoziarnistej dla niższej temperatury hartowania np. 275, 300 C, do gruboziarnistej o rozgałęzionych płytkach ferrytu dla temperatury wyższej (rys. 3a,b). Jest to sytuacja podobna do klasycznej obróbki cieplnej dla żeliwa ausferrytycznego. Zauważalny jest również zmniejszający się wraz ze wzrostem temperatury hartowania izotermicznego udział płytkowego ferrytu do otaczającego go austenitu. Zwiększanie zawartości austenitu w strukturze ADI sugeruje zwiększanie właściwości plastycznych tego materiału. 3.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa SEM Dla wszystkich wybranych wariantów uproszczonej obróbki cieplnej przeprowadzono badania w SEM (ang. Scanning Electron Microscope), dzięki którym uzyskano informacje o charakterze pękania uzyskanego materiału. Charakterystyczne zdjęcia przełomów przedstawiono na rys. 4a,b. Dla celów porównawczych dokonano również obserwacji powierzchni próbek z żeliwa sferoidalnego bez obróbki cieplnej, dla których stwierdzono wyraźnie łupliwy, transkrystaliczny charakter pękania. Morfologia powierzchni próbek po uproszczonej obróbce cieplnej wyraźnie wskazuje na pękanie transkrystaliczne. Widoczne kratery są oznaką plastyczności badanego materiału. Niezbyt duże ich głębokości świadczą jednak o ograniczeniach tej właśnie cechy. Należy również zaznaczyć, iż dla wszystkich przypadków charakter pękania jest wyraźnie inny od łupliwego przełomu dla próbek wyjściowych. a) b) Rys. 4. a) Fot. SEM x1000, bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=300 C, t=40min. b) Fot. SEM x1500, bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=350 C, t=90min. Rys. 4. a) Fot. SEM x1000, direct austempering T=300 C, t=40min. b) Fot. SEM x1500, direct austempering T=350 C, t=90min.
3.3. Transmisyjna mikroskopia elektronowa TEM Obserwacje w TEM (ang. Transmission Electron Microscope) umożliwiły jednoznaczna identyfikację poszczególnych faz w obserwowanych wcześniej strukturach. Analiza dyfraktogramów wykazała, iż osnowa otrzymanego żeliwa sferoidalnego składa się z mieszaniny silnie umocnionego odkształceniowo ferrytu oraz austenitu. Przykłady zdjęć TEM pokazano na rys. 5 a,b. a) b) Rys. 5. x43000; a) ferryt i austenit, T=300 C, t=90min., b) ferryt i austenit, T=350 C, t=90min. Fig. 5. x43000; a) ferryt and austenit, T=300 C, t=90min., b) ferryt and austenit, T=350 C, t=90min. Dla przypadku hartowania w temperaturze 300 C i wygrzewania izotermicznego przez 40min. nieoczekiwanie stwierdzono obecność węglików. Sugeruje to, iż dla tej temperatury czas 40min. jest wystarczający do rozpoczęcia przemiany osnowy ausferrytycznej w bainit albo, że w tym wypadku szybkość chłodzenia była nieco za mała i przynajmniej częściowo austenit uległ przemianie w perlit. 4. DYSKUSJA Jednoznacznie stwierdzono, iż otrzymany materiał jest żeliwem sferoidalnym, którego osnowę stanowi mieszanina iglastego ferrytu i austenitu. Charakter tej struktury wyraźnie zmienia się wraz ze zmianą parametrów bezpośredniego hartowania izotermicznego, czyli temperaturą i czasem hartowania. Zmiany te dotyczą szczególnie powstawania osnowy gruboiglastej w niższej temperaturze hartowania (300 C) i drobnoiglastej w wyższej temperaturze (350 C). Taka mikrostruktura jest cechą charakterystyczną dla żeliwa ausferrytycznego otrzymywanego na drodze klasycznej obróbki cieplnej. Bezpośrednio z nią wiążą się naturalnie właściwości tego materiału. Czy w związku z tym bezpośrednie hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego
umożliwiło uzyskanie ADI o właściwościach porównywalnych z tworzywem otrzymywanym na drodze konwencjonalnej obróbki cieplnej? Z przeprowadzonych badań strukturalnych żeliwa po bezpośredniej obróbce cieplnej wynika, że powstająca struktura ausferrytycznej osnowy powinna zapewniać odpowiednie cechy materiału. Jakkolwiek pominięcie przemiany perlitycznej oraz ponownej przemiany perlitu w austenit podczas austenityzacji poprzedzającej hartowanie, charakterystycznych dla klasycznego procesu, może decydować o nieco innych właściwościach. Wspomniane przemiany zapewniają przede wszystkim dość znaczne ujednorodnienie składu chemicznego na przekroju ziaren oraz ich rozdrobnienie. W proponowanym procesie etap ten jest pomijany. Mamy więc tu do czynienia ze strukturą gruboziarnistej osnowy nie poddaną ujednorodnieniu. Ważna jest jednak również znaczna szybkość chłodzenia żeliwa zaraz po zakończonym procesie krystalizacji. Powoduje ona zamrożenie niejednorodności składu na przekroju ziaren uniemożliwiających dyfuzję pierwiastków, a tym samym również, kończąc dalszy wzrost kulek grafitu kosztem zubażania w węgiel otaczającej go osnowy. Jest to sytuacja, dzięki której uzyskujemy mniejszy, niż w przypadku zwykłych odlewów z żeliwa sferoidalnego, stopień mikrosegregacji oraz znaczną ilość drobnych, kulkowych wydzieleń grafitu. W przypadku bezpośredniego hartowania należy również zwrócić uwagę na różnicę temperatury pomiędzy wnętrzem i częścią zewnętrzną odlewu. Nie występuje ona dla odlewów poddawanych standardowo austenityzacji i klasycznemu hartowaniu objętościowemu. Oznacza to, iż podczas bezpośredniego hartowania gradient temperatury na przekroju odlewu będzie większy niż podczas konwencjonalnej obróbki cieplnej. Większy gradient temperatury to większe naprężenia, które z chwilą przekroczenia naprężenia uplastyczniającego powodują utworzenie nowych i migrację dyslokacji. Zależnie od temperatury hartowania izotermicznego, dyslokacje ulegające przegrupowaniu tworząc mniej lub bardziej wykształconą strukturę komórkową, dzielą ziarna na podziarna. Im większe naprężenia tym większa gęstość dyslokacji a tym samym większe umocnienie odkształceniowe. Podsumowując powyższe rozważania należy stwierdzić, iż trudno jednoznacznie zdecydować o właściwościach uzyskanego w wyniku bezpośredniego hartowania izotermicznego materiału, mimo że badania wykazują, iż charakter struktury takiego materiału jest podobny do tego jaki otrzymuje się dla żeliwa sferoidalnego hartowanego konwencjonalnie z przemianą izotermiczną. Stwierdzono obecność ferrytu, którego iglasty kształt zmieniał się w pierzasty i bardziej rozdrobniony w miarę podwyższania temperatur hartowania izotermicznego. Wraz ze wzrostem tej temperatury zwiększał się również w strukturze ausferrtycznej udział austenitu, odpowiedzialnego za plastyczność ADI. Powyższe spostrzeżenia są analogiczne do poczynionych dla żeliwa poddanego klasycznemu hartowaniu izotermicznemu. Sądzić zatem należy, że jakkolwiek właściwości żeliwa ADI hartowanego bezpośrednio są nieco gorsze niż hartowanego
konwencjonalnie, to jednak ten sposób obróbki cieplnej rokuje nadzieje wart jest bliższego poznania. LITERATURA [1]J. Massone, R. Boeri, J. Sikora: Production of hot shake out - microstructure and mechanical properties. Int. J. Cast Metals Res., 1999, t. 11, s. 419; [2]S.J. Karsay: Ductile Iron I Production. QIT, USA (1992) [3]D. Myszka, M. Kaczorowski: Bezpośrednie hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego z form piaskowych. ACTA Metallurgica Slovaca, Podbanskie (2001). STRUCTURAL RESEARCH OF DIRECT AUSTEMPERED DUCTILE IRONS OBTAIN IN SAND MOULDS SUMMARY The results of microstructural investigations of ductile iron castings directly quenched from the green sand moulds are presented. The light microscopy as well as SEM and TEM observations was used for studying of the microstructure of the casting isothermally quenched in SiC fluid bed. The discussion of this microstructure with that obtained by conventional heat treatment was done. Recenzował Prof. Edward Guzik