BADANIE WPŁYWU TEMPERATURY HARTOWANIA NA UDZIAŁ AUSTENITU W OSNOWIE ŻELIWA ADI

71/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIE WPŁYWU TEMPERATURY HARTOWANIA NA UDZIAŁ AUSTENITU W OSNOWIE ŻELIWA ADI S. DYMSKI 1, M. TREPCZYŃSKA-ŁENT 2, Z. ŁAWRYNOWICZ 3 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza, ul. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz STRESZCZENIE Analiza udziału austenitu w osnowie metalowej należy do ważnych zagadnień związanych z wysoką jakością żeliwa ADI w procesie jego wytwarzania. Badania miały na celu określenie wpływu temperatury austenityzowania przy hartowaniu z przemianą izotermiczną niestopowego żeliwa z grafitem kulkowym. Żeliwo austenityzowano w czasie 1 godz. w zakresie temperatur 820 950 0 C, a następnie podchładzano do temperatury przemiany izotermicznej (400 250 0 C) i wytrzymywano w okresie czasu od 15 do 240 min. Badania dyfrakcyjne austenitu wykonano na zgładach metalograficznych próbek o przekroju kwadratu o boku 10 mm. Na próbkach badano mikrostrukturę i twardość wg metody Vickersa. Wyniki badań posłużyły do sporządzenia wykresów przestrzennych i wyznaczenia funkcji obiektu badań. Na podstawie analizy merytorycznej i statystycznej wyników badań sformułowano wnioski. Key words: austenitsing, austempering, retained austenite, ADI, hardness 1. WPROWADZENIE Wysokowęglowy austenit jest składnikiem ausferrytycznej osnowy metalowej żeliwa ADI. W osnowie obok austenitu jest druga faza przesycona węglem ferryt. 1 dr hab. inż. prof. ATR, e-mail: stanislaw.dymski@atr.bydgoszcz.pl 2 dr inż., e-mail: trema@atr.bydgoszcz.pl 3 dr inż., e-mail: lawry@atr.bydgoszcz.pl

Osnowa z takimi składnikami mikrostruktury tworzy się podczas hartowania z przemianą izotermiczną. Kinetyką i mechanizmem przemiany ausferrytycznej w żeliwie ADI zajmowano się w pracach [1-8]. W mikrostrukturze ADI wyróżnia się górny i dolny ausferryt w zależności od temperatury t pi przemiany izotermicznej. Udział austenitu w górnym ausferrycie może być nawet powyżej 40 % (t pi = 400 350 0 C), a natomiast w dolnym ausferrycie od około 15 % i więcej (t pi = 300 250 0 C) [6,9]. Ausferryt żeliwa ADI tworzy się w procesie wytrzymywania przechłodzonego austenitu w temperaturze przemiany izotermicznej (ausferrytyzacja). Kinetyka tej przemiany realizuje się pomiędzy stadiami oddzielonymi od siebie tzw. czasowym przedziałem obróbki (ang. processing window) [1-4,7,10]. Ten czasowy przedział obróbki jest zdefiniowany jako okres czasu w temperaturze t pi ausferrytyzacji, w którym wytrzymałość i plastyczność ADI spełniają wymagania normy ASTM A 897 M 1990 (PN EN 1564) [11]. Początek i koniec czasu przedziału obróbki (τ pi2 τ pi1 ) przemieszcza się w lewo do osi temperatury t pi, im niższa jest temperatura austenityzowania t γ. Wzrost temperatury t pi ausferrytyzacji zmniejsza czas przedziału obróbki [1,2,12-14]. Określenie czasu początku τ pi1 i końca τ pi2 przedziału obróbki można zrealizować za pomocą doświadczeń, co rzecz oczywista wymaga nakładu pracy. Obecnie istnieją sposoby analityczne umożliwiające wyznaczenie przedziału obróbki za pomocą oryginalnego modelu kinetyki przemiany bainitycznej [8]. Udział austenitu wysokowęglowego w osnowie żeliwa ADI w zależności od jego składu chemicznego w pracach [4,15] określono za pomocą sieci neuronowych, a jego maksymalny udział z wykorzystaniem modelu matematycznego [5]. Ausferrytyzacja w zakresie temperatur t pi = 400 250 0 C przyczynia się do zmiany cząstkowej zawartości węgla w austenicie osnowy żeliwa ADI, zależnie od warunków hartowania z przemianą izotermiczną [16]. Poziom właściwości mechanicznych, przede wszystkim wytrzymałość na rozciąganie R m, umowna granica plastyczności R p0,2, wydłużenie A, udarność i twardość są ściśle związane z udziałem objętościowym austenitu w osnowie żeliwa ADI. Wzrost jego objętościowego udziału, w miarę podwyższenia temperatury t pi ausferrytyzacji zmniejsza wskaźniki R m i R p0,2 oraz twardość, a zwiększa plastyczność i udarność [3,6,9,12-14,18-20]. Przedstawienie badań wpływu temperatury austenityzowania t γ, temperatury t pi i czasu τ pi ausferrytyzowania niestopowego żeliwa sferoidalnego, którego osnowa była ferrytyczna, było celem niniejszej pracy. Badania austenitu można odnieść do działań jakościowych w procesie wytwarzania żeliwa ADI. 126

2. MATERIAŁ DO BADAŃ I METODY BADAWCZE Próbki do badań wycięto z dolnej części oddzielnie odlanych wlewków próbnych o kształcie litery Y typu II (PN-EN 1563). Żeliwo sferoidalne po obróbce cieplnej miało osnowę ferrytyczną i odpowiadało gatunkowi EN-GJS-400-18. Analiza dylatometryczna posłużyła do wyznaczenia wartości temperatur krytycznych: Ac 1,1 = 780 0 C, Ac 1,2 = 827 0 C, Ar 1,1 = 750 0 C i Ar 1,2 = 705 0 C. Temperatury początku przemiany bainitycznej i martenzytycznej wyznaczono analitycznie, mają one wartości: B s = 437 0 C i M s = 245 0 C [8,9]. Obróbkę cieplną próbek wykonano według warunków: austenityzowanie w temperaturze T γ =950, 860, 830 i 820 0 C w czasie τ γ = 60 min, ausferrytyzowanie w temperaturze t pi = 400, 350, 300 i 250 0 C w czasie 15, 30, 60, 120 i 240 min. Do nagrzanej komory pieca ładowano pojemnik z próbkami. Pojemnik ten dopełniano węglem drzewnym w celu zabezpieczenia powierzchni próbek przed utlenieniem. Czas nagrzewania liczono od momentu, gdy pojemnik nagrzał się do nominalnej temperatury. Na podstawie pomiarów, za pomocą dodatkowej termopary, wahania temperatury w przestrzeni grzejnej, w której znajdował się pojemnik z próbkami, były w przedziale ±10 K. Po jednej godzinie wygrzewania pojemnik wyładowywano z pieca, próbki wyjmowano z pojemnika i zanurzano w kąpieli solnej SO140 pieca wannowego. Temperatura kąpieli solnej była regulowana, a jej wahania były w przedziale ±2 K. Po wyznaczonym czasie, zgodnym z programem badań, próbki wyjmowano z kąpieli i dochładzano w oleju do temperatury otoczenia (20 0 C). Powierzchnie próbek szlifowano ręcznie na papierze ściernym w celu usunięcia ewentualnej warstwy utlenionej. Zgłady metalograficzne wykonano na odciętych próbkach z prób udarnościowych, na płaszczyźnie prostopadłej do wzdłużnej ich osi. Udział austenitu w próbkach metalograficznych wyznaczono metodą rentgenowskiej analizy fazowej. Mikrostrukturę osnowy żeliwa ADI za pomocą świetlnego mikroskopu metalograficznego metalograficznego elektronowego mikroskopu skaningowego. Metodą Vickersa przy obciążeniu 294N wykonano pomiary twardości na zgładach metalograficznych, przy czym każda wartość twardości próbki była średnią arytmetyczną pięciu pomiarów. Wyniki pomiarów austenitu i twardości poddano analizie korelacji statystycznej opartej na weryfikacji kwantytatywnej oznaczającej istnienie zależności między wielkościami wejściowymi i wielkościami wyjściowymi. Celem badań doświadczalnych jest wyznaczenie funkcji obiektu badań o postaci wielomianu algebraicznego, dlatego przyjęto wielomian aproksymujący z podwójnymi interakcjami [21]. Do weryfikacji statystycznej adekwatności funkcji matematycznej i istotności współczynników funkcji matematycznej zastosowano analizę wariancji (test F) i test t Studenta. 127

3. WYNIKI BADAŃ Stopień przechłodzenia austenitu podczas hartowania kształtuje skład mikrostruktury ausferrytycznej osnowy żeliwa ADI. Udział wysokowęglowego austenitu V γ zależy od temperatury austenityzowania t γ, temperatury t pi i czasu τ pi ausferrytyzacji. Zależność tę opisują funkcje matematyczne o postaci: dla temperatury austenityzowania w zakresie t γ = 950 830 0 C; V γ = 2055,128278 4,720841 t γ + 0,002716 t γ 2 + 0,000151 t pi 0,000157 t pi τ pi, % (1) gdzie: V γ udział objętościowy austenitu w osnowie metalowej w %, t γ temperatura austenityzowania w 0 C, t pi temperatura ausferrytyzacji w 0 C, τ pi czas ausferrytyzacji w min. Zależność matematyczna (1) ma współczynnik korelacji r = 0,9337 i determinacji r 2 = 0,8718. Wartości te informują o ścisłym związku pomiędzy zmiennymi funkcji. Za pomocą analizy statystycznej ustalono, że współczynniki równania są istotne przy alfa = 0,05, a wyrażenie matematyczne (1) po weryfikacji jest adekwatne. dla temperatury t γ = 820 0 C; V γ = 58,2931 + 0,4033 t pi +0,1701 τ pi 0,0006 t pi 2 0,0004 τ pi 2 0,0001t pi τ pi, % (2) gdzie: V γ udział objętościowy austenitu w osnowie metalowej w %, t pi temperatura ausferrytyzacji w o C, τ pi czas ausferrytyzacji w min. Zależność matematyczna (2) ma współczynnik korelacji r = 0,6543 i determinacji r 2 = 0,4281. Przedstawiona funkcja matematyczna zawiera nieistotne współczynniki, a poza tym jest funkcją nieadekwatną. Wpływ temperatury t pi i czasu τ pi ausferrytyzacji na udział objętościowy austenitu w osnowie metalowej żeliwa ADI przedstawiono w postaci przestrzennych wykresów wielomianów aproksymujących (1) i (2) na rysunku 1. Osnowa żeliwa ADI hartowanego z temperatury 950 0 C składała się z austenitu i ferrytu, przy czym w strefach przygranicznych ziaren eutektycznych były obszary austenityczno - martenzytyczne. Udział tych obszarów w mikrostrukturze osnowy zależy od temperatury ausferrytyzacji. Podczas wytrzymywania w wyższej temperaturze t pi udział tych obszarów przy granicy ziaren był większy niż w niższej temperaturze t pi. Na rysunku 2a pokazano mikrostrukturę w ziarnie eutektycznym żeliwa hartowanego z t γ = 950 0 C ausferrytyzowaniu w t pi = 350 0 C w czasie τ pi = 120 min. 128

a) b) Udział austenitu V γ, % Udział austenitu V γ, % c) d) Udział austenitu V γ, % Udział austenitu V γ, % Rys.1. Wpływ temperatury t pi i czasu τ pi ausferrytyzacji na udział austenitu w osnowie metalowej żeliwa ADI hartowanego z temperatury 950 0 C (a), 860 0 C (b), 830 0 C (c) i 820 0 C (d) Fig.1. Influence of temperature t pi and time τ pi of austempering on volume fraction of retained austenite V γ, in matrix ADI, hardened from temperatures 950 0 C (a), 860 0 C (b), 830 0 C (c), 820 0 C (d), Po hartowaniu z temperatury t γ = 860 0 C struktura żeliwa nie różni się zdecydowanie niż po hartowaniu z temperatury t γ = 950 0 C. Na tle mikrostruktury ausferrytycznej stwierdzono jedynie niewielki udział, w postaci pojedynczych ziaren wolnego ferrytu (przedeutektoidalnego). Po krótkich czasach wytrzymywania, po hartowaniu z t γ = 950 i 860 0 C, w ziarnach eutektycznych, pomiędzy jego środkiem i granicą, obok iglastego przesyconego ferrytu był również martenzyt. W miarę wydłużania czasu ausferrytyzacji jego udział w osnowie malał. Mikrostrukturę osnowy żeliwa ADI hartowanego z temperatury t γ = 860 0 C i ausferrytyzacji w temperaturze t pi = 250 0 C w czasie τ pi = 30 min pokazano na rysunku 2b. 129

a) b) c) d) Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa ADI hartowanego z temperatury t γ = 950 0 C i ausferrytyzowaniu w t pi = 350 0 C w czasie τ pi = 120 min (a), t γ = 860 0 C i ausferrytyzowaniu w t pi = 250 0 C w czasie τ pi = 30 min (b), t γ = 830 0 C i ausferrytyzowaniu w t pi = 350 0 C w czasie τ pi = 240 min (c) i t γ = 820 0 C i ausferrytyzowaniu w t pi = 300 0 C w czasie τ pi = 240 min (d). SEM. Pow. mikroskopowe 1000x Fig. 2. Structure ADI hardened from temperature t γ = 950 0 C and austempered t pi = 350 0 C, time τ pi = 120 min (a), t γ = 860 0 C and austempered t pi = 250 0 C, time τ pi = 30 min (b), t γ = 830 0 C and austempered t pi = 350 0 C, time τ pi = 240 min (c) and t γ = 820 0 C and austempered t pi = 300 0 C, time τ pi = 240 min (d). SEM (1000x) Mikrostrukturę ausferrytyczną, składającą się z austenitu i płytek ferrytu zaobserwowano w osnowie żeliwa ADI hartowanego z t γ = 830 0 C. Obok tych składników osnowy stwierdzono obecność wolnego ferrytu w ziarnach eutektycznych (rys.2c). Po ausferrytyzowaniu w t pi = 400 i 350 0 C w osnowie żeliwa udział wolnego ferrytu był śladowy, tzn. w środku ziaren eutektycznych obserwowano pojedyncze ziarna ferrytu. Maksymalny udział V α = 1,7 % był po ausferrytyzowaniu w t pi = 350 0 C w czasie τ pi = 240 min. Natomiast w t pi = 300 i 250 0 C jego udział był odpowiednio V α = 5,0 13,3 % i 10,5 22,2 %. Udział ferrytu V α określono za pomocą analizy jakościowej metodą siatki punktów. 130

W osnowie żeliwa ADI hartowanego z t γ = 830 0 C w początkowym okresie przemiany ausferrytycznej w środku ziarn eutektycznych stwierdzono obecność martenzytu. Nie zaobserwowano go w obszarach granicznych ziaren eutektycznych. W tych obszarach był ausferryt. W osnowie żeliwa ADI hartowanego z t γ = 820 0 C udział wolnego ferrytu był znaczący. Wygrzewanie w temperaturze międzykrytycznej (Ac 1,2 = 827 0 C) spowodowało powstanie ausferrytu, którego udział kształtował się w przedziale V α = 23 54 %. W granicznych strefach ziaren eutektycznych znajdował się ausferryt, gdy tymczasem w środku był wolny ferryt wraz z ausferrytem otaczajacym kulkowe wydzielenia grafitu (rys.2d). Miarą efektów umocnienia składników mikrostruktury osnowy żeliwa ADI jest twardość. Zależności matematyczne uwzględniające wpływ warunków hartowania z przemianą izotermiczną na twardość żeliwa ADI mają postać: dla temperatury austenityzowania t γ = 950 0 C; H = 1024,825-2,016 t pi - 3,5467 τ pi + 0,011372 t pi τ pi, HV (3) Zależność matematyczna (3) charakteryzuje się współczynnikiem korelacji r = 0,8064 i determinacji r 2 = 0,6502, dla temperatury austenityzowania t γ = 860 0 C; H = 732,2925-1,2284 t pi + 0,11922 τ pi, HV (4) Zależność matematyczna (4) ma współczynnik korelacji r = 0,9786 i determinacji r 2 = 0,9577, dla temperatury austenityzowania t γ = 830 0 C; H = 554,08334 0,736667 t pi 0,86993 τ pi + 0,002003 t pi τ pi, HV (5) Zależność matematyczna (5) ma współczynnik korelacji r = 0,9332 i determinacji r 2 = 0,8709, dla temperatury austenityzowania t γ = 820 0 C; H = 406,463-0,5804 t pi + 0,614 10-3 τ 2 pi, HV (6) Zależność matematyczna (6) ma współczynnik korelacji r = 0,9416 i determinacji r 2 = 0,8866. W zależnościach matematycznych (3) (6) są oznaczenia: H twardość w HV, t pi temperatura ausferrytyzacji w 0 C, τ pi czas ausferrytyzacji w min. Analiza wartości współczynników r i r 2 informuje, że związek między zmiennymi równań (3) (6) ma charakter bardzo ścisły. Wpływ temperatury t pi i czasu τ pi ausferrytyzacji na twardość żeliwa ADI po hartowaniu z temperatury t γ = 950 820 0 C przedstawiono w postaci przestrzennych wykresów wielomianów aproksymujących (3) (6) na rysunku 3. Intensyfikacja wpływu warunków hartowania izotermicznego, wynikająca z przechłodzenia austenitu, powoduje wzrost twardości. W mniejszym stopniu zauważa się oddziaływanie czasu wytrzymywania, jednak w sposób dostrzegalny wpływa on na twardość żeliwa ADI zależnie od kinetyki procesu ausferrytyzacji. 131

a) b) Twardość, HV30 Twardość, HV30 c) d) Twardość, HV30 Twardość, HV30 Rys.3. Wpływ temperatury t pi i czasu τ pi ausferrytyzacji na twardość żeliwa ADI hartowanego z temperatur 950 0 C (a), 860 0 C (b), 830 0 C (c), 820 0 C (d) Fig.3. Influance of temperature t pi and time τ pi of austempering on hardness ADI, hardened from temperatures 950 0 C (a), 860 0 C (b), 830 0 C (c), 820 0 C (d) Mikrostruktura żeliwa ADI hartowanego z niższej temperatury t γ = 820 0 C, składająca się z ausferrytu i wolnego ferrytu, w aspekcie wytwarzania gatunku PN - EN - 800 może być bardzo interesująca dla praktyki przemysłowej. 4. PODSUMOWANIE Badania niestopowego żeliwa ADI, które w stanie wyjściowym było ferrytyczne, wykazały że udział austenitu w osnowie metalowej zależy od warunków: austenityzowania (t γ ) i ausferrytyzacji (t pi i τ pi ). Wyższa temperatura austenityzowania przyczyniła się większego udziału austenitu, taki sam kierunek działania ma wzrost temperatury ausferrytyzacji. Twardość żeliwa ADI zależy od warunków hartowania z przemianą izotermiczną. Wzrost temperatury austenityzowania podwyższa twardość, a wzrost temperatury ausferrytyzacji obniża. 132

W niskiej temperaturze austenityzowania powstał wolny ferryt (przedeutektoidalny), który przyczynił się znacząco do mniejszej twardości żeliwa ADI. LITERATURA [1] A.S. Hemid Ali., R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol.12, August, s.679, (1996). [2] A.S. Hemid Ali., R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol.12, December, s.1021, (1996). [3] J. Mallia, M. Grech: Mater. Sci. and Technol. Vol.13, May, s.408, (1997). [4] M.A. Yescas, H.K.D.H. Bhadeshia, D.J. Mac Kay: Mater.Sci. and Eng. A311, s.162, (2001). [5] M.A. Yescas, H.K.D.H. Bhadeshia,: Mater.Sci. and Eng. A333, s.60, (2002). [6] E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa. Monografia Nr 1M, ss.128, (2001). [7] Z. Ławrynowicz, S. Dymski: Archiwum Odlewnictwa, R.6, Nr19, s.177, (2006). [8] Z. Ławrynowicz, S. Dymski: Archiwum Odlewnictwa, R.6, Nr19, s.171, (2006). [9] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej. Rozprawy nr 95, ATR im.j.j.śniadeckich, Bydgoszcz, ss.176, (1999). [10] N. Darwish, R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol.9,, July, s.572, (1993). [11] R. Elliott: Heat Treat. Met., Nr 3, s.55, (1997). [12] A.S. Hemid Ali., R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol.13, January, s.24, (1997). [13] H. Bayatti, R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol.13, April, s.319, (1997). [14] N. Darwish, R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol.9,July, s.586, (1993). [15] Z. Ławrynowicz, S. Dymski: Archiwum Odlewnictwa, R.6, Nr19, s.183, (2006). [16] S. Dymski: Archiwum Odlewnictwa, R.3, Nr 8, s.54, (2003). [17] A.S. Hemid Ali., R. Elliott: Mater. Sci. and Technol. Vol 12, September, s.780, (1996). [18] M. Grech, J.M. Young: Mater. Sci. and Technol. Vol.6, May, s.415, (1990). [19] S. Dymski: I Pomorska Konferencja Naukowa Inżynieria Materiałowa 2000 Gdańsk Sobieszewo, s.35, 25-26.05.2000. [20] J. Yang, S.K. Putatunda: Mater.Sci. and Eng. A406, s.217, (2005). [21] S. Dymski: International Scientific Conference. ADI Foundry s Offer for Designers and users of Castings. Cracow Foundry Institute, p.i/157, 23-24 November 2000. 133

EFFECT OF QUENCHING TEMPERATURE ON AMOUNT OF RETAINED AUSTENITE IN ADI SUMMARY Estimation of the amount of retained austenite in austempered ADI is related to high quality of produced ductile iron. The aim of the present study is to determine the effect of austenitizing temperature on the fraction of retained austenite after austempering of ductile iron. The samples of ductile iron were austenitized for 1 hour at temperature range 820 950 0 C and they were then quenched to the range of austempering temperatures 400 250 0 C and held there time for 15, 30, 60, 120 and 240 minutes. The volume fraction of retained austenite was measured using X-ray diffraction on samples prepared earlier to light microscopy, SEM and Vickers hardness examination. Based on the results of examination the three-dimensional graphs and mathematical equations were prepared. Recenzował: prof. Edward Fraś. 134