WALORY UŻYTKOWE NOWEGO KRAJOWEGO MODYFIKATORA KOMO PRZEZNACZONEGO DLA ŻELIWA

9/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 2002, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 WALORY UŻYTKOWE NOWEGO KRAJOWEGO MODYFIKATORA KOMO PRZEZNACZONEGO DLA ŻELIWA E. GUZIK 1, M. PORĘBSKI 2 Wydział Odlewnictwa, Akademii Górniczo Hutniczej ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE W opracowaniu przedstawiono charakterystykę kompleksowego modyfikatora KOMO wraz z podstawowymi parametrami jego wytwarzania, a także wyniki badań efektu modyfikacji żeliwa przy jego użyciu w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych w odniesieniu do żeliwa szarego modyfikowanego i żeliwa sferoid alnego. Badany efekt modyfikacji wyrażono długością zabielenia przełomu klina po upływie określonego czasu od momentu modyfikacji, a także liczbą ziaren eutektyc z- nych, uzyskaną wytrzymałością na rozciąganie (Rm) i twardością (HB), dla żeliwa szarego modyfikowanego. Dla żeliwa sferoidalnego badany efekt wyrażono liczbą kulek grafitu i właściwościami mechanicznymi (Rm, A5 i HB). Key words: inoculant KOMO; ductile iron; mechanical properties 1. WPROWADZENIE Modyfikator KOMO (od nazwy KOmpleksowy MOdyfikator) jest stopem Fe-Si-Ca-Al-Ba-Sr zawierającym: Si=72 77%, Ca=0,4 0,8%, Al=1,0 1,5%, Ba=0,44 1,28%, Sr=0,35 0,52% (reszta Fe), wytworzonym do celów badawczych w Hucie ŁAZISKA S.A. w Łaziskach Górnych [2]. Ciekły stop typu Fe-Si-Ca-Al-Ba wytapiano w piecu elektrycznym łukowo-oporowym, niskoszybowym typu otwartego o automatycznej regulacji elektrod i mocy nominalnej 20 MWA z trzema samo spiekającymi się elektrodami o średnicy 1200 mm. Piec pracuje w systemie ciągłym 1 Prof. dr hab. inż., guz@uci.agh.edu.pl; 2 mgr inż. 87

z wanną obrotową. Spust ciekłego stopu Fe-Si-Ca-Al-Ba odbywał się co dwie godziny, a jego masa odlewana do kadzi spustowej o pojemności V = 2 m 3, około 1,8 Mg. Nabój wsadowy składał się z kwarcytu, koksu (groszek), węgla kamiennego, zendry walco w- niczej, kamienia wapiennego, barytu i zrębek drewna. Baryt (BaSO 4 ) jako nośnik Ba wprowadzany był bezpośrednio do wsadu (T top Ba = 704 C, T wrz. = 1700 C) natomiast stront wprowadzany był na specjalnym stanowisku, w którym umieszczona jest specja l- na kadź z pokrywą, na dnie której umieszcza się stop Sr-Al 90 w odpowiedniej ilości, a następnie przelewa się do niej ciekły stop Fe-Si-Ca-Al-Ba o temperaturze poniżej 1400 C (T wrz. Sr = 1367 C). Wlewki stopów o składzie chemicznym (I i II) rozdrobniono na odpowiednich urządzeniach kruszącychi przesiewaczach wibracyjnych uzyskując 3 frakcje: 0,8-2 mm, 0,8-5 mm i 2-7 mm. Modyfikatory te otrzymały nazwy handlowe KOMO I i KOMO II i zostały przekazane do prób i badań efektywności modyfikatorów w procesie wytwarzania żeliwa wysokojakościowego, w warunkach laboratoryjnych Katedry Odlewnictwa Żeliwa WO -AGH, a także w warunkach przemysłowych Odlewni WSK- PZL RZESZÓW S.A. Nazwa KOMO oznacza, że jest to kompleksowy modyfikator zawierający jednocześnie prawie wszystkie pierwiastki stosowane w poszczególnych, innych mod yfikatorach, które są preferowane, np. do żeliwa szarego modyfikowanego czy też żeliwa sferoidalnego lub żeliwa z grafitem wermikularnym. Założono, że modyfikator KOMO może mieć działanie uniwersalne w zastosowaniu dla wszystkich gatunków żeliwa wysokojakościowego, wymagającego zabiegu modyfikowania [1]. Do prób przekazano dwie partie tego modyfikatora w następujących wersjach składu chemicznego: I; Si=76%, Ca=0,49%, Al=1,1%, Ba=0,44%, Sr=0,45%, II; Si=76,2%, Ca=0,4%, Al=1,2%, Ba=1,28%, Sr=0,52%. Tabela 1. Modyfikatory żeliwa dotychczas stosowane w odlewniach krajowych Table 1. Application up to now of the inoculant for cast iron at Polish foundries Lp Nazwa (symbol Skład chemiczny, % mas. Si Ca Al Ba inne modyfikatora) 1 Superseed 75 73 78 0,1 max 0,5 max 0,6 1,0 Sr 2 Superseed 50 46 50 0,1 max 0,5 max 0,6 1,0 Sr 3 Foundrysil 73 78 0,75 1,25 0,75 1,25 0,75 1,25 4 Zircinoc 73 78 2 2,5 1 1,5 1,3 1,82 Zr 5 Fe-Si 73 78 1 2 1 1,5 6 Inobar 64 1,0 1,3 9 7 Inocarb 32 0,5 0,7 4,5 50 C 8 Inoculoy 63 60 65 1,5 3,0 1 1,5 4 6 7 12 Mn 9 Inogen 75 70 2,5 2,5 10 SB5 64 70 1 1,5 2 11 SMW 605 60 64 1,8 2,4 0,8 max 1 PZRz, 1 Bi 12 SRF 75 73 76 0,1 max 0,5 max 0,6 0,9 Sr 88

ARCHIWUM ODLEWNICTWA W literaturze znanych jest wiele rodzajów modyfikatora [2], natomiast w odlewniach krajowych najczęściej stosuje się dotychczas modyfikatory zestawione w tabeli 1 [3]. Są to modyfikatory będące stopami typu Fe-Si-Ca-Al zawierające dodatki modyfikatorów prostych, lecz nie równocześnie jak w przypadku KOMO. Znane są również modyfikatory żeliwa będące mieszaniną fizyczną stopu FeSi plus dodatki (ITIMOD) lub Fe-Si-Ca-Al plus Ba (do 20%) i Sr (2 10%); ujęty w patencie PL 130621 z 1986 roku [4]. Celem niniejszych badań jest uchwycenie walorów modyfikujących nowego krajowego modyfikatora wieloskładnikowego przeznaczonego dla żeliwa modyfikowanego z grafitem płatkowym i żeliwa sferoidalnego. 2. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Badania przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych w odniesieniu do żeliwa szarego modyfikowanego oraz żeliwa sferoidalnego. W obydwu przypadkach żeliwo wyjściowe wytapiano w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości z tyglem grafitowo - szamotowym o pojemności 0,016 Mg stopu żelaza. W każdym wytopie ciekłe żeliwo po roztopieniu wsadu przegrzewano do temperatury 1490-1500 C i wytrzymywano w tej temperaturze przez okres 2 W przypadku żeliwa szarego modyfikowanego zabieg modyfikacji wykonywano przez wprowadzenie KOMO I lub KOMO II w różnych ilościach na powierzchnię kąpieli, która podlegała ciągłemu mieszaniu prze okres 3 Dla porównania identyczne próby wykonywano stosując modyfikator typu SB 5. Do badań efektu modyfikacji odlewano standardowe próbki (wałki Ø 30 x 260 mm oraz próby klinowe). Badane żeliwo modyfikowane charakteryzowało się następującym składem chemicznym: C = 3,04-3,17%, Si=1,56-1,80%, Mn=0,52-0,59%, P=0,045-0,07%, S = 0,04-0,09 %. Ocenę trwałości efektu modyfikacji żeliwa szarego na podstawie poziomu zabielenia klina w próbie klinowej według Meehanite typ II pobieranej przed i po modyfikacji ciekłego żeliwa, a następnie systematyczniez upływem czasu po; 3, 10, 15, 20 utrzymując temperaturę ciekłego żeliwa w tyglu w zakresie 1380-1400 C. Badania metalograficzne przeprowadzono z wykorzystaniem mikroskopu optyc z- nego typu Leica MEF 4M wyposażonego w kolorową kamerę podłączoną do komputera i określono charakterystykę grafitu i osnowy, a także wykonano obróbkę statystyczną z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania, co pozwoliło na zliczenie liczby ziaren eutektycznych. Wyniki badań liczby ziaren eutektycznych przypadających na jednostkę p o- wierzchni oraz wytrzymałości na rozciąganie R m i twardości HB żeliwa modyfikowanego, przy dwóch poziomach zużycia modyfikatora zestawiono w tabeli 2, natomiast wielkości zabielania w odlewach klina pokazano w tabeli 3. We wszystkich przypadkach uzyskano założony gatunek żeliwa modyfikowanego EN-GJL-250, przy czym największa liczbę ziaren eutektycznych L z = 308 cm -2 (przy wystarczającej dla tego gatunku żeliwa wartości R m i HB) otrzymano w przypadku modyfikatora KOMO I i może on być bardzo skutecznym modyfikatorem dla odlewów, np. cienkościennych. 89

Z parametrów wartości zabieleń na odlewach klina wynika, że dobre działanie wykazują modyfikatory SB 5 oraz KOMO I i II, po użyciu których, tuż po modyfikacji (około 1 ) zabielenie wynosi 0 mm, zarówno przy ich zużyciu 0,25 % i 0,40 %. Po upływie 20, największą tendencje zaniku efektu (powrót do stanu wyjściowego) wykazuje żeliwo modyfikowane za pomocą KOMO II przy zużyciu 0,25%. W produkcji odlewów żeliwnych, pomiędzy zabiegiem modyfikacji, a odlaniem ciekłego żeliwa do formy upływa najczęściej 10 do 15 Dla tych warunków najskuteczniejszym okazuje się modyfikator typu KOMO I, i modyfikator SB 5, które po tym czasie dają w odlewie klina zabielenie czyste rzędu 6 mm. Tabela 2. Wyniki badań metaloznawczych i mechanicznych żeliwa modyfikowanego Table 2. The results of structure and mechanical properties for inoculated gray cast iron Nr Rodzaj modyfikatora Zużycie modyfikatora, Liczba ziaren R m HB wytopu % eutektyki, cm -2 MPa 1 SB 5 0,25 252 269 176 2 SB 5 0,40 269 292 176 3 KOMO I 0,25 225 262 172 4 KOMO I 0,40 308 270 163 5. KOMO II 0,25 265 262 179 6. KOMO II 0,40 237 271 179 Tabela 3. Skłonność do zabielenia żeliwa szarego modyfikowanego w zależności od rodzaju modyfikatora i upływu czasu Table 3. The influence of kind inoculants and time on the chill depth of inoculanted gray cast iron Numer wytopu Rodzaj modyfikatora Zużycie modyfikatora % Stan wyjściowy odlewu klina, mm 1 3 10 15 20 1 SB 5 0,25 12,8 0 3,0 6,5 7,0 7,0 2 SB 5 0,40 7,5 0 0 6,0 5,0 6,0 3 KOMO I 0,25 11,0 0 3,0 6,8 6,0 7,0 4 KOMO I 0,40 10,0 0 0 4,0 6,0 6,0 5 KOMO II 0,25 7,0 0 0 5,0 7,7 11,0 6 KOMO II 0,40 10,0 0 0 4,6 5,8 9,0 90

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Do określenia efektu modyfikowania grafityzującego żeliwa sferoidyzowanego magnezem z wykorzystaniem wspomnianych modyfikatorów; SB 5, KOMO I i II, odlewano standardowe próbki w postaci pręta technologicznego (do oceny przełomu) i wlewków typu Ygrek II (do określenia właściwości mechanicznych). Do celów porównawczych, zastosowano dla tego rodzaju żeliwa jeszcze jeden, importowany modyfikator typu Foundrysil. Badane żeliwo charakteryzowało się następującym składem chemicznym: C= 3,49-3,63 %, Si = 2,40-2,63 %, Mn = 0,45-0,5 %, P = 0,043-0,05 %, S = 0,012-0,014 %, Mg = 0,054-0,06 %, który założono dla otrzymania żeliwa sferoidalnego, o osnowie perlityczno-ferrytycznej, gatunku EN-GJS-500-7. W przypadku żeliwa sferoidalnego, zabieg modyfikowania grafityzującego wykonywano jednocześnie ze sferoidyzacją pod stalowym dzwonem zanurzeniowym tak, że modyfikator był ułożony nad zaprawą sferoidyzującą typu FeSiMg 6%. Wyniki badań wpływu danego modyfikatora, dla dwóch poziomów jego zużycia; 0,3 i 0,5%, na liczbę kulek grafitu kulkowego (a tym samym liczbę ziaren eutektycznych) oraz wybrane właściwości mechaniczne jak; wytrzymałość na rozciąganie R m, twardość HB i wydłużenie A 5 zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Wyniki badań metalograficznych i mechanicznych dla żeliwa sferoidalnego Table 4. The results of structure and mechanical properties for ductile cast iron Numer wytopu Rodzaj modyfikatora Zużycie modyfikatora (%) Liczba kulek grafitu, cm -2 (x 10 4 ) R m (MPa) A 5 (%) 1.1 SB 5 0,3 182 598 7,1 179 1.2 SB 5 0,5 195 592 8,3 180 1.3 Foundrysil 0,3 178 574 6,9 182 1.4 Foundrysil 0,5 186 580 7,2 180 1.5 KOMO I 0,3 192 534 8,5 167 1.6 KOMO I 0,5 248 494 9,2 163 1.7 KOMO II 0,3 203 525 12,0 171 1.8 KOMO II 0,5 254 515 15,2 161 HB 91

W odniesieniu do żeliwa sferoidalnego, zastosowanie modyfikatorów typu KOMO daje największy efekt modyfikacji wyrażający się liczbą kulek grafitu (liczba ziaren eutektyki globularnej) jak również wartością wydłużenia A 5 oraz twardością HB. Zastosowanie modyfikatora importowanego typu SB 5, w ilości 0,3 i 0,5% w stosunku do masy metalu, pozwala otrzymać żeliwo sferoidalne gatunku EN-GJS-500-7. Ten gatunek żeliwa sferoidalnego zapewnia także modyfikator Foundrysil, lecz tylko przy zużyciu 0.5%. W przypadku zastosowania modyfikatora typu KOMO II, żeliwo sferoidalne charakteryzuje się większymi wartościami wydłużenia A 5 (12 i 15,2%)i dlatego też można go zgodnie, z normą PN-EN 1563, zaklasyfikować jako gatunek: EN-GJS-500-7; EN-GJS-450-10 ( zużycie modyfikatora 0,3%) i dodatkowo EN-GJS-400-15 (zużycie modyfikatora 0,5%). Niewątpliwie zwiększona plastyczność żeliwa sferoidalnego jest konsekwencją występowania większej liczby kulek grafitu w strukturze, które z kolei obniżają wytrzymałość na rozciąganie, w porównaniu do żeliwa, w którym zastosowano importowany modyfikatory typu SB 5 i Foundrysil. Zwiększona liczba kulek grafitu ma istotne znaczenie przy produkcji cienkościennych odlewów z żeliwa sferoidalnego. Ocenę metalograficzną żeliwa wytworzonego przy użyciu modyfikatora KOMO oraz przykładowe mikrostruktury grafitu żeliwa podano w pracy [5]. Wyniki uzyskane w warunkach laboratoryjnych poddano następnie weryfikacji w warunkach produkcyjnych Odlewni WSK PZL- RZESZÓW S.A. wykonując zabieg modyfikacji ciekłego metalu z przeznaczeniem na żeliwo sferoidalne gatunku EN- GJS-400-15 i EN-GJS-500-7, przewidzianych na próbną serię odlewów maszynowych, przy użyciu 0,40 0,42% modyfikatora KOMO o składzie: Si=76%, Ca=0,45%, Al=1,2%, Ba=0,49%, Sr=0,48% i granulacji 2 7 mm. Zabieg sferoidyzacji wykonywany był przy użyciu metody przewodu elastycznego z zastosowaniem techniki PE zawierającego 62g Mg/mb. Na życzenie odbiorcy odlewów, do badania właściwości mech a- nicznych żeliwa, odlewano standardowe wlewki Ygrek typ 2, oraz wałki o średnicy ø 20, 30 i 50 mm, do badania osnowy metalowej. Przykładowe wyniki z próbnych wytopów przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5. Przykładowe wyniki właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego i modyfikowanego KOMO w warunkach produkcyjnych WSK PZL- RZESZÓW S.A. Table 5. Results of mechanical properties of ductile cast iron inoculant KOMO in WSK PZL- RZESZÓW S.A. foundries L.p. Gatunek Skład chemiczny żeliwa [%] R0,2 Rm A5 HB żeliwa C Si Mn Mg MPa MPa % jedn. 1 GGG 40 3,49 2,49 0,29 0,034 312 455 19,0 163 2 GGG 40 3,61 2,59 0,29 0,036 325 468 21,0 179 3 GGG 50 3,49 2,51 0,52 0,036 423 624 8,0 212 4 GGG 50 3,42 2,49 0,51 0,037 429 631 9,0 217 Uwagi: Gatunek żeliwa podano wg normy DIN, jak w zamówieniu odbiorcy, S= 0,009 0,01%. 92

ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. WNIOSKI 1. Zastosowanie modyfikatora typu KOMO do wytwarzania żeliwa sferoidalnego, przy jego zużyciu 0,3-0,5% w stosunku do masy metalu, zapewnia dużą liczbę kulek grafitu (ziaren eutektyki globularnej) w strukturze, dając możliwość wytwarzania, w porównaniu do importowanego modyfikatorów typu SB 5 bądź Foundrysil (zapewniają otrzymanie tylko żeliwa gatunku EN-GJS-500-7), następujących gatunków żeliwa: EN-GJS-500-7; EN-GJS-450-10 (zużycie modyfikatora 0,3%) i EN-GJS-400-15 (zużycie modyfikatora 0,5%). Ponadto, modyfikator ten może być preferowany przy produkcji odlewów cienkościennych, zarówno z żeliwa szarego modyfikowanego z grafitem płatkowym jak i żeliwa sferoidalnego. 2. Wprowadzony do ciekłego metalu modyfikator typu KOMO w ilości 0,25% i 0,4% zapewnia, podobnie jak, np. modyfikator SB 5, dużą liczbę ziaren eutektycznych, prawidłowy kształt grafitu płatkowego, wymagany gatunek żeliwa EN-GJL-250 (przy założonym składzie chemicznym) oraz zapewnia małą skłonność żeliwa do zabieleń. 3. Modyfikator o nazwie handlowej KOMO (Fe-Si-Ca-Al-Ba-Sr) zawierający 76,9 % Si, 0,49 % Ca, 1,1 % Al, 0,44-1,28 % Ba, 0,45-0,52 % Sr, jest modyfikatorem w pełni porównywalnym w odniesieniu do efektów modyfikowania i jest konkurencyjny wobec importowanych modyfikatorów zachodnich. Na krajowym ryn ku, modyfikatory importowane dostępne są w cenie około 1700 EUR/1Mg, natomiast modyfikator KOMO będący produktem Huty ŁAZISKA S.A. jest tańszy, rzędu 20 % w zależności od wymaganej przez odlewnię granulacji. 4. Próby przemysłowe potwierdziły dobrą efektywnoś ć i uniwersalność oddziaływania modyfikatora KOMO, zarówno dla żeliwa modyfikowanego z grafitem płatkowym jak i żeliwa sferoidalnego, a także opłacalność jego stosowania. LITERATURA [1] Guzik E., Porębski M.: Praca naukowo-badawcza, pt. Uruchomienie produkcji złożonego modyfikatora o kwalifikowanej jakości przeznaczonego dla żeliwa w y- sokojakościowego. AGH Kraków, 2001-2002 (praca niepublikowana). [2] Fraś E., Podrzucki C.: Żeliwo modyfikowane. Skrypt AGH nr 817 (wyd. II), Kraków (1981), stron 518. [3] Guzik E.: Procesy uszlachetniania żeliwa- wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa PAN Odd. Katowice, Monografia nr 1M, IX (2001), stron 128. [4] Pietrowski S. i inni: Modyfikator grafityzujący do stopów żelaza. Patent PL 130621 z dnia 02.12.1986. [5] Guzik E., Porębski M.: A new complex inoculant KOMO for high quality cast iron. Acta Metallurgica Slovaca, 2 (2002), s. 10-15. 93

SUMMARY UTILIZED VALUES OF A NEW POLISH INOCULANT KOMO FOR CAST IRON In the paper results of the research in the field of the influence of new complex inoculant KOMO on the microstructure and some mechanical properties (UTS, hardness HB and elogation A) as well as chill depth of high quality grey cast iron are presented. The inoculants containing strontium and these containing barium and Ca, Al are most effective in increasing nodule count of the ductile iron and grey cast iron with flake graphite. An increase in the inoculation KOMO effect (UTS, elogation and nodule count of ductile iron and grey cast iron) is obtained when the Sr content is adjusted within 0.45 to 0.52% and the Ba content 0.44 to 1.28%. Higher contents yield a decreased inoculating effect. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 94