33/21 Solidilil ation or Metais and Alloys, No. 33, 1997 KrLCpnięcic Metali i Stopów, Nr 33, 1997 l'an -Oddział Katowice PL ISSN 020!1-9386 KONSTYTUOWANIE WARSTW ODPORNYCH NA ŚCIERANIE W ODLEWACH Z ŻELIWA ORŁOWICZ Władysław, OPIEKUN Zenon, TRYTEK Andrzej Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, 35.. 959 Rzeszów Streszeznie Praca dotyczy poprawy odporności na zużycie ścierne odlewów z żeliwa. l. Wstęp Analiza materiałów stosowanych w budowie maszyn wskazuje na szerokie zastosowanie żeliwa, które przy dobrych właściwościach użytkowych i wytrzymałościowych ma proporcjonalnie niską cenę. Szczególnie dużą trwałością w warunkach zużycia ścieranego charakteryzują się żeliwne detale, które w warstwie wierzchniej mają wydzielenia cementytu. Zazwyczaj wymaga się, aby materiał w rdzeniu był łatwo obrabialny i wykazywał odpowiednio wysokie własności mechaniczne. Zalecana jest perlityczna struktura metalicznej osnowy i sferoidalne lub płatkowe wydzielenia grafitu. Takie rozwiązania stosuje się między innymi w wałkach rozrządu czy popychaczach. Stwierdzono, że zużycie warstwy zabielonej zmniejsza się ze zwiększaniem udziału i dyspersji cementytu [1]. Dotychczas warstwę wierzchnią żeliwa utwardza s i ę głównie droga odlewniczą poprzez stosowanie ochładzalników albo pokryć form lub rdzeni dodatkami telluru. Wyższą twardość uzyskuje się jednakże drogą przetapiania warstwy wierzchniej skoncentrowanym strumieniem energii [2,3]. Celem pracy było porównanie struktury i twardości warstwy utwardzonej metodą odlewniczą oraz poprzez przetapianie żeliwa skoncentrowanym strumieniem ciepła.
161 l. Badania Badania obejmowały; - wykonanie odlewów płyt z warstwą zabieloną, - przetopienie płyt w obszarze zabielonym i w obszarze nie zabielonym, - badania ultradźwiękowe, - badania metalograficzne, - pomiary twardości. 3. Materiał i metoda badań 3.l. Wykorumie odlewów płyt Badania wykonano na żeliwie o składzie 3,20%C, 2,61 %Si, 0,30%Mn, 0,02%S, 0,064%Mg. Metal przygotowano w piecu indukcyjnym ACEC o pojemności l OOkg. Odlew płyty o wymiarach 100xl00x20 mm zaformowano pionowo na stalowym ochładzalniku o grubości 20nun. 3.2. Wykorumie przetopień Powierzchnię płyty wyrównano metodą frezowania, anastepnie przetapiania z wykorzystaniem elektrody nietopliwej przy natężeniu prądu I = 50A, i szybkości przemieszczania łuku v = 200 mm/min. Dla późniejszych badań metalograficznych płytę przecięto wzdłuż osi podłuź.nej przetopienia. Szkic do badań przedstawiono na rysunku l. 3.3. Badania ultradźwiękowe Badania ultradźwiękowe (zestawem do diagnozowania żeliwa AMEX) obejmowały pomiary prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej w warstwie zabielonej drogą odlewniczą (wzdłuż linii l, rysunek l).
162 materiał nie zablelon materiał zabielony od ochhdzalnika Rys. l. Szkic próbki do badań struktury i pomiarów twardości. 3.4. Badania metalograficzne Badania metalograficzne wykonano z zastosowaniem mikroskopu optycznego Neophot 2 i elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) typu Novoscan 30. Obejmowały one obserwację struktury obszaru zabielonego od ochładzalnika (wzdłuż linii 1 i linii 2, rys. l). 3.5. Pomiary twardości Twardość mierzono metodą RockweBa wg skali C na powierzchni obszaru zabielonego (wzdłuż linii l, rysunek l) i na powierzchni przetopienia (wzdłuż linii 3, rysunek l). 4. Wyniki badań Wyniki pomiarów prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej oraz twardości w obszarze zabielonym metalurgicznie przedstawiono na rysunku 2. Strukturę w tym obszarze przedstawiono na rysunku 3. Przy stosowanych parametrach przetapiania (1 = 50A, v = 200mm/min) wykonano ścieg o szerokości około 8 mm i głębokości około 3,5 mm. W tak małym obszarze ze względu na rozmiary głowicy zestawu AMEX nie mógł być zrealizowany pomiar prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej. Był on za to wystarczający dla przeprowadzenia pomiarów twardości.
163 V) 6100 -=-------------, ~E EroJ ~ -.J 59Xl ~ -~ 5800 8. ~ 5700 :~ ~ 5600 ~ :~ 5500 -g. 'O et ~ 5400 ::l 2 10 18 26 34 42 50 58 66 74 82 ro Odległość od czoła próbki, mm u 0:: I :~ o "E ~ ~ f- 50 45 40 35 3:) 25 20 2 10 18 26 34 42 50 58 66 74 a2 ro Odległoś ć od czoła próbki, mm Rys.2. Zmiana prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i twardości obszam zabielonego w wyniku oddziaływania ochładzalnika a) 2 mm od czoła b) 12 mm od czoła c) 22 mm od czoła c) 2 mm od czoła d) 12 mm od czoła Rys. 3. Struktura obszam zabielonego poprzez oddziaływanie ochladzalnika, wzdłuż linii l (rys. l), a, b- mikroskop optyczny, c, d- SEM. Traw. 4% HN0.1
164 Pomiary te wykonane na powierzchni przetopienia ( wzdłuż linii 4, rysunek l) wykazywały wartość 65 HRC. Struktw ę obszaru przetopionego, strefy wpływu ciepła i materiału rodzimego przedstawiono na rysunku 4. a) przetopienie, strefa wpływu ciepła, material rodzimy b) przetopienie c) strefa wpływu ciepła Rys. 4. Stiuktura obszam przetopionego, stj efy wpływu ciepła i m a tetiału rodzimego wzdłuż linii :2 (tys. 1), a- mikroskop optyczny, b, c- SEM. Traw. 4% HN0 3 5, Podsumowanie Użyte w badaniach żeliwo niestopowe ma skład bliski eutektycznemu. Przy szybkościach chłodzenia uzyskiwanych w fonnie z ochładzałnikiem osiągane jest przechłodzenie ciekłego roztwom względem równowagowej temperatmy eutektycznej, przy którym dokonuje się równoczesny wzrost eutektyki grafitowej i
165 stykających się z ochładzalnikiem. W tym obszarze jest największa szybkość chłodzenia metalu. Bardzo duża szybkość chłodzenia żeliwa obniża temperaturę przemiany eutektycznej poniżej krytycznej temperatury krystalizacji. W tych warunkach wzrastać mogą dwie eutektyki ( cementytowa i grafitowa). Przy większym przechłodzeniu ciekłego metalu szybkość wzrostu eutektyki cementytowej jest coraz większa w stosunku do szybkości wzrostu eutektyki grafitowej. W związku z tym eutektyka grafitowa w strukturze żeliwa może być obserwowana tylko przy znacznych powiększeniach mikroskopowych. Przy dużych szybkościach chłodzenia (zamrażanie kropli ciekłego żeliwa) obserwowano obecność cząstek grafitu o wymiarach rzędu l o 3-10- 2 mm [4]. W związku z tym stwierdza się [5], że zrealizowanie krystalizacji zwykłego żeliwa wyłącznie według układu metastabilnego jest mało prawdopodobne. lejiwo nagrzewane skoncentrowanym strumieniem ciepła osiąga w jeziorku temperaturę około 2800 C. Przy tej temperaturze rozpuszczalność węgla w stopie jest znaczna. Jeśli pr.zyjmie się, że rozpuszczalność węgla w żeliwie w temperaturze 2700 C wynosi 11,15% (według [6]) i że szybkość stygnięciajeziorka ciekłego metalu jest bardzo duża o czym świadczy fakt, że austenit w eutektyce przemienił się na bainit i martenzyt, a przy powiększeniu 3200x nie stwierdzono wydzieleń grafitu to być może prawdopodobna jest krystalizacja badanego żeliwa według układu metastabilnego. Uzyskanie struktury będącej mieszaniną cementytu bainitu i martenzytu pozwala uzyskać wyższą twardość w warstwie wierzchniej żeliwa przetopionego skoncentrowanym strumieniem ciepła (65HRC) w porównaniu do twardości powierzchniowej warstwy odlewu uzyskanej w efekcie oddziaływania ochładzaimka (48 HRC). W pracy nie stwierdzono wpływu struktury osnowy materiału wyjściowego (ledeburyt przemieniony lub ferryt+ perlit) na twardość warstwy przetopionej. żeliwie Prace nad zagadnieniem konstytuowania warstwy wierzchniej (w niestopowym i innych stopach odlewniczych) z wykorzystaniem skoncentrowanego strumienia ciepła są intensywnie prowadzone w Zakładzie Inżynierii Materiałowej Folitechniki Rzeszowskiej, a ich efekty znajdują zastosowanie w praktyce przemysłowej. Powinny one również rozszerzyć wiedzę z zakresu krystalizacji stopów w warunkach bardzo szybkiego chłodzenia ze stanu ciekłego.
166 Literatura l. Podrzucki C., Maj Z., Wojtysiak A.: Schalenhartguss ft1r Motorteile mit erhohter Verschleissfestigkeit 56 G.W.K., V ortrag Nr 22, DUsseldorf 1989 2. Orłowicz W., Opiekun Z.: Sposoby utwardzania warstwy wierzchniej żeliwnych elementów silnika spalinowego. International Scientific Conference on Engineering Design and Research of Automotive Vehicles and machines, SAKON'96, Rzeszów 1996, s. 155-160 3. Orłowicz W., Opiekun Z.: Wear reistance improvement of cast iron machine parts. Medzinarodna Konferencia Nove Smery vo Vyrobnych Technológiach, Ko~ice Prdov, 1997 4. Podrzucki C.,: Żeliwo, Wyd. ZG STOP, Kraków 1991 5. Fraś E: Krystalizacja żeliwa. Skrypty uczelniane AGH nr 611, Kraków 1977 6. Ruer R., Biren 1. : Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, t 113, 1920