115/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 STRUKTURA I TWARDOŚĆ WARSTW PRZETAPIANYCH METODĄ GTAW NA ŻELIWIE SFEROIDALNYM T. SZYKOWNY 1, K. CIECHACKI 2 Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej STRESZCZENIE Metodą GTAW przetapiano powierzchniowo próbki dwóch gatunków niestopowego żeliwa sferoidalnego. Przeprowadzono badania metalograficzne, twardości, dyfrakcyjne rentgenowskie i penetracyjne otrzymanych warstw. Warstwy przetapiane na zimno wykazały twardość 65 67HRC, ale wystąpiły makropęknięcia. Nagrzewanie żeliwa przed przetopieniem powyżej temperatury M s eliminuje to niekorzystne zjawisko, ale obniża twardość o około 8HRC. Key words: spheroidal cast iron, GTAW method, surfaced remelted 1. WSTĘP Warunki pracy odlewów żeliwnych wymagają częstokroć wysokiej odporności na ścieranie oraz zużycie przez łuszczenie i pitting wybranych powierzchni. Żeliwne prowadnice obrabiarek utwardzone powierzchniowo powinny wykazywać twardość 48 53HRC [1]. Żądaną twardość żeliwa można uzyskać stosując metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej analogiczne jak dla stali [2]. Autorzy pracy [3] przedstawiają wyniki utwardzania powierzchniowego niestopowego żeliwa sferoidalnego metodą odlewniczą. Uzyskana warstwa zabielona o grubości do 12mm posiada twardość 40 50HRC, co wielokrotnie zwiększa żywotność odlewu. Dalsze możliwości podwyższenia twardości i poprawy własności trybologicznych powierzchni żeliwa stwarzają metody wykorzystujące plazmę łuku elektrycznego (me- 1 dr inż. T. Szykowny, tadeusz.szykowny@atr.bydgoszcz.pl 2 dr inż. K. Ciechacki, krzysztof.ciechacki@atr.bydgoszcz.pl 195
toda GTAW). Badania nad tą obiecującą metodą przeprowadzili autorzy prac [3 6]. W zależności od parametrów przetapiania metodą GTAW niestopowego żeliwa sferoidalnego, warstwa przetopiona wykazuje twardość powierzchniową w granicach 54 60HRC i maksymalną grubość 2,5mm [3]. Badania wpływu natężenia prądu i prędkości skanowania na mikrotwardość µhv0,1 obszaru nadtopień wykazały, iż zależnie od parametrów procesu, mikrotwardość mieści się w granicach od 773 902µHV. Zużycie ścierne w zależności od mikrotwardości, aproksymuje z bardzo dużym współczynnikiem korelacji, malejąca funkcja liniowa [4,7]. W strefie przetopionej ukształtowała się włóknista i płytkowa eutektyka cementytowa. W efekcie dalszego szybkiego chłodzenia do temperatury otoczenia dokonała się częściowa przemiana austenitu w produkty hartowania [7,8] W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań struktury i twardości warstw przetopionych metodą GTAW przyjmując jako zmienne czynniki: gatunek żeliwa niestopowego, wartość natężenia prądu i prędkość przesuwu elektrody nietopliwej oraz temperatury próbki. Szczególną uwagę zwrócono na występowanie w strefie przetopu wad typu makro i mikropęknięcia. Ocenę warstw przetopionych oparto o pomiary twardości HRC, badania makro i mikroskopowe, penetracyjne oraz dyfrakcyjne rentgenowskie. 2. MATERIAŁ, PROGRAM I METODYKA BADAŃ Do badań przyjęto dwa gatunki niestopowego żeliwa sferoidalnego o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Wartości Sc i K G określono na podstawie wzorów N.G. Giršoviča [9]. Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa, % mas Table 1. The chemical composition of cast iron, % mass Oznaczenie C Si Mn P S Cr Cu Ti Mg Sc K G żeliwa F 3,82 3,41 0,19 0,057 0,02 0,04 0,04 0,019 0,05 1,16 12,78 P 3,76 3,07 0,35 0,07 0,04 0,04 0,48 0,024 0,06 1,13 9,88 Żeliwo oznaczone literą F, w stanie lanym posiada strukturę ferrytycznoperlityczną (ok. 15% perlitu), gatunek EN-GJS-40015. Żeliwo oznaczone literą P ma strukturę perlityczno-ferrytyczną (ok. 10% ferrytu), gatunek EN-GJS-600-03. Oba gatunki żeliwa wytopiono w piecu indukcyjnym tyglowym sieciowej częstotliwości. Sferoidyzację przeprowadzano zaprawą FeSiMg, a modyfikację żelazokrzemem FeSi75. Odlano próbki YII w formach wilgotnych. W celu wytworzenia krótkiego łuku elektrycznego, jako źródła ciepła potrzebnego do przetopienia powierzchni próbek zastosowano inwertorowe źródło prądu spawania R3000 MP z przystawką TIG300. Stałą odległość elektrody wolframowej o średnicy 2,4mm jak i regulowaną prędkość skanowania uzyskano poprzez zamocowanie uchwytu spawalniczego na wózku samojezdnym. W procesie przetapiania jako gaz osłonowy 196
zastosowano argon 4.0. Prędkość przesuwu elektrody wynosiła 200 mm/min, natomiast natężenie prądu wynosiło 80; 120; 160 i 200A. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Mikrostrukturę warstwy przetopionej na zimno w żeliwie perlitycznym P stanowi cementyt pierwotny i ledeburytyczny, przy czym austenit będący składową ledeburytu uległ podczas chłodzenia przemianie bezdyfuzyjnej. W obszarze przypowierzchniowym obserwuje się wydzielenia grafitu o wymiarach zbliżonych do grafitu w żeliwie surowym. Warstwa przetopiona wolna jest od mikropęknięć (rys.1a). Warstwę przejściową stanowi osnowa martenzytyczna z wydzieleniami grafitu kulkowego. W warstwie tej występują mikropęknięcia biegnące najczęściej po granicach ziaren eutektycznych (rys.1c). W przetapianym żeliwie F mikrostruktura warstwy wierzchniej (rys.1b) jest analogiczna do mikrostruktury żeliwa P. Natomiast w warstwie przejściowej występuje w większej ilości perlit. Również w tej warstwie obecne są mikropęknięcia (rys.1d). a) Żeliwo P b) Żeliwo F c) Żeliwo P d) Żeliwo F Rys. 1. Mikrostruktura warstwy przetopionej a), b) warstwa powierzchniowa; pow. 175x c),d) warstwa przejściowa; pow. 175x Fig. 1. The microstructure of remelted layers a), b) surface layer; area of 175x c),d) transient surface; area of 175x Głębokość i szerokość warstwy przetopionej, w zależności od natężenia prądu przetapiania przedstawiono na rysunku 2. 197
a) b) Rys. 2. Głębokość przetopu (a) oraz szerokość przetopu (b) w zależności od natężenia prądu przetapiania żeliwa F i P Fig. 2. Joint penetration (a) width penetration (b) from the current intensity of remelted cast iron F and P Na rysunku 3 przedstawiono wyniki badań penetracyjnych. Wykazały one wystąpienie w warstwie przetopionej makropęknięć usytuowanych w poprzek przetapianej warstwy. Wzrost natężenia prądu przetapiania zwiększa ilość pęknięć w obu gatunkach żeliwa. Intensywność ich występowania jest większa w żeliwie P o strukturze perlitycznej. Żeliwo F Żeliwo P 200 A 160A 120A 80A 200 A 160A 120A 80A Rys. 3. Makrostruktura ujawniona badaniami penetracyjnymi próbek żeliwa F i P w zależności od natężenia prądu Fig. 3. The revealed macrostructure with the use of penetration research of samples cast iron F and P dependent on the current intensity Twardość mierzona na powierzchni przetapianej żeliwa F o strukturze ferrytycznej wynosiła 66 HRC, natomiast żeliwa P o mikrostrukturze perlitycznej 67 HRC. Różnica średnich twardości pomiędzy gatunkami żeliwa jest nieistotna, co wykazano testem dla wartości średniej populacji t-studenta, dla 1-α=0,95. Próbki żeliwa F o wymiarach 60x75x16mm skanowane na całej powierzchni wykazały średnią twardość 59 HRC. Zarówno przed szlifowaniem jak i po zeszlifowaniu warstwy o grubości 0,33mm badania nie wykazano zmiany twardości. Analogiczna sytuacja występuje dla żeliwa P. Po zeszlifowaniu warstwy o grubości 0,22mm, twar- 198
dość nie zmienia się. Dyfraktogram wykonany na powierzchni próbek skanowanych z żeliwa P wykazał występowanie martenzytu wraz z cementytem, a dyfraktogram z powierzchni próbki po zeszlifowaniu na głębokość 0.22mm świadczy o odpuszczeniu martenzytu. Nie wiąże się to jednak ze spadkiem twardości. W celu uniknięcia pęknięć przeprowadzono przetapianie próbek żeliwa F wstępnie nagrzanych do temp. 550 C. Przyjęto stałe natężenie prądu 160A oraz zmienną prędkość przesuwu elektrody 200, 400, 800mm/min. Wstępne nagrzanie wyeliminowało całkowicie występowanie mikro- i makro- pęknięć, jednakże twardość spadła o 8 jednostek HRC. Przykładowo makrostrukturę próbek przetapianych i próbki skanowanej z żeliwa F po badaniach penetracyjnych przedstawiono na rysunku 4. a) b) c) d) Rys.4. Makrostruktura próbek po przetapianiu: a) z prędkością 200mm/min; b) 400mm/min; c) 800mm/min; d) skanowanej z prędkością 200mm/min. Badania penetracyjne Fig. 4. The macrostructure of samlpes after remelting with: a) speed of 200mm/min; b) 400mm/min; c) 800mm/min; d) skanned with speed of 200mm/min. The penetration research 4. WNIOSKI 1. Przetapianie metodą GTAW podwyższa twardość żeliwa sferoidalnego. 2. Wysoka twardość powierzchni żeliwa przetopionego na zimno (65 67HRC) wynika z cementytowo-martenzytycznego składu fazowego warstwy przetopionej. 3. Szlifowanie powierzchni przetopionej, mimo iż wywołuje odpuszczenie martenzytu nie zmienia twardości. 4. Niekorzystną cechę jaką jest występowanie pęknięć można wyeliminować poprzez nagrzewanie wstępne żeliwa. Powoduje ono jednak obniżenie twardości o około 8 jednostek HRC oraz podraża technologię utwardzania powierzchniowego. LITERATURA [1] L. Wrotny: Podstawy konstrukcji obrabiarek. WNT, Warszawa 1973. 199
[2] J. Piaskowski, A. Jankowski: Żeliwo sferoidalne. WNT, Warszawa 1974. [3] W. Orłowicz i in.: Utwardzanie powierzchniowe żeliwa. VIII Międzynarodowa Konferencja N-T Tendencje rozwojowe w procesach produkcyjnych. Sekcja III, s. 65 Politechnika ZG, Zielona Góra 1997. [4] W. Orłowicz, A. Trytek: Eksploatacyjne aspekty szybkiej krystalizacji warstwy wierzchniej odlewów z żeliwa sferoidalnego. Acta Metallurgica Slovaca. R8, s. 301, 2002. [5] W. Orłowicz, A. Trytek: Aplication of GTAW process for surfacing of cast iron castings. Acta Metallurgica Slovaca. R7, s. 9, 2001. [6] A. Trytek: Odlewy z żeliwa sferoidalnego utwardzone powierzchniowo plazmą łuku elektrycznego. Przegląd Odlewnictwa nr 12, s. 431, 1998. [7] Orłowicz W., Trytek A.: Structural and operating aspects of rapid solidification of surface layer of spheroidal graphite iron castings. International Journal of Cast Metals, 2003, vol.16, nr 5, [8] Orłowicz W., Trytek A.: Susceptibility of iron castings to heat absorption from electric arc and to hardened-layer shaping. Metallurgical and Materials Transaction, 2003, vol. 3AA, 1-12, [11] N.G. Giršovič: Sprawočnik po čugunnuju litju. Leningrad, Izd. Mašinostroenie, 1978. THE STRUCTURE AND HARDNESS OF REMELTING OF GTAW METHOD AND SPHEROIDAL CAST IRON SUMMARY The samples of two kinds of non-alloyed spheroidal cast iron using GTAW method were surfaced remelted. The metalographical research of diffractional X-rayed and of defectoscope penetration of the received layers were done. The layers of cold remelting showed the hardness of 65 67 HRC but the macrocrackings occurred. The heating of cast iron before remelting above M s temperature eliminates the inconventional phenomenon but the hardness is about 8 HRC lower. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski 200