28/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 40 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 ODDZIAŁYWANIE MIKRODODATKÓW Bi I Ce NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA SZAREGO WARCHALA Tadeusz, SOIŃSKI Marek Sławomir Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa STRESZCZENIE W rezultacie modyfikacji żeliwa wyjściowego, o równoważniku węglowym CE = 4,35% do 4,59%, mikrododatkami bizmutu i metali ziem rzadkich (wprowadzonymi w żelazostopach podczas obróbki tworzywa metodą Imconod) uzyskano zmianę kształtu wydzieleń grafitu oraz praktycznie niemal całkowitą ferrytyzację osnowy. Wyeliminowanie wydzieleń grafitu płatkowego przez wydzielenia zwarte, w dużym stopniu o kształcie zbliżonym do kulistego, doprowadziło do bardzo znacznego wzrostu właściwości wytrzymałościowych i plastycznych (R m żeliwa wyjściowego nie przekraczała 100 MPa, przy całkowitym braku wyraźnych cech plastycznych). Ich modele matematyczne, w funkcji rozchodu FeSiCaBi (oznaczenie Bi) oraz FeSiMZR (oznaczenie Ce), przedstawiają się następująco: R m = -444,0+401,1Bi+4609,0Ce-217,8Bi 2-6909,1Ce 2 [MPa], R 0,2 = -393,7+344,0Bi+4097,1Ce-346,7Bi 2-6347,1Ce 2 [MPa], A 5 = -7,1+3,1Bi+82,3Ce-4,4Bi 2-99,2Ce 2 [%], HBS = -39,6+300,9Bi+948,7Ce-666,7Bi*Ce-102,2Bi 2-1090,9Ce 2. Stwierdzono tendencję wzrostu wytrzymałości na rozciąganie, umownej granicy plastyczności i twardości Brinella w miarę zwiększania rozchodu FeSiCaBi w przedziale 0,20% do 0,50%. Jedynie wydłużenie względne badanego żeliwa stosunkowo słabo zależało od rozchodu tego modyfikatora. W danych warunkach, za najbardziej korzystny z punktu widzenia właściwości mechanicznych badanego żeliwa, można uznać rozchód FeSiMZR na poziomie około 0,30%, gdyż dalszy jego wzrost pociągał za sobą pogorszenie R m, R 0,2 i HBS. Należy podkreślić, że modyfikacja powodowała bardzo mały wzrost twardości, z około 140 150 HBS ( żeliwo wyjściowe) do około 160 170 HBS (żeliwo modyfikowane). Tak znaczące zmiany właściwości mechanicznych żeliwa osiągnięto bez udziału magnezu, przy nieznacznych ilościach (poniżej 0,04%) ceru, w obecności bizmutu w ilości nieco powyżej poziomu uznawanego za dopuszczalny w żeliwie sferoidalnym. Nie stosowano dodatkowej modyfikacji grafityzującej.
246 1. Wprowadzenie Wprowadzenie do żeliwa szarego mikrododatków bizmutu oraz pierwiastków z grupy metali ziem rzadkich (MZR), jako składników modyfikatorów, oddziaływuje korzystnie na strukturę tworzywa i prowadzi do krystalizacji zwartych wydzieleń grafitu [1-4]. Obecność Bi i MZR w wysokokrzemowych żelazostopach powoduje ich silne oddziaływanie grafityzujące i przedłużenie efektów modyfikacji w czasie; pozwala także na skuteczną eliminację zabieleń w odlewach cienkościennych [5]. O zainteresowaniu badaczy wpływem bizmutu i metali ziem rzadkich, głównie ceru, na żeliwo świadczą m. in. prace [7-9]. Korzystne zmiany postaci wydzieleń grafitu, uzyskane wskutek modyfikacji żeliwa bardzo niewielkimi ilościami obu wymienionych substancji, muszą prowadzić do istotnego podwyższenia właściwości mechanicznych. Całkowita eliminacja wydzieleń grafitu płatkowego, stanowiącego w żeliwie szarym swego rodzaju szkielet (praktycznie o zerowej wytrzymałości na rozciąganie) rozczłonkowujący osnowę metalową, na rzecz zwartych, izolowanych od siebie wydzieleń, pozwala oczekiwać znaczącego wzrostu właściwości wytrzymałościowych jak i plastycznych. 2. Badania własne Celem pracy było określenie skutków oddziaływania mikrododatków bizmutu oraz metali ziem rzadkich, głównie ceru, na podstawowe właściwości mechaniczne żeliwa szarego. Praca stanowi kontynuację badań przedstawionych m.in. w artykule [4]. Żeliwo wytapiano w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości z tyglem obojętnym pojemności 50 kg. Wsad stanowiło żeliwo szare otrzymane z przetopu surówki wielkopiecowej przeznaczonej na żeliwo sferoidalne ferrytyczne i złomu stalowego oraz Si75. Równoważnik węglowy CE żeliwa wyjściowego wahał się od 4,35% do 4,59%. Zawartość fosforu i siarki wynosiła, odpowiednio: 0,04% i do 0,015%. Temperaturę przegrzania utrzymywano na poziomie 1475 +50 o C. Żeliwo modyfikowano metodą Imconod, stosując dwa żelazostopy wytworzone we własnym zakresie. Pierwszy z nich, FeSiCaBi o zwartości 2% Bi, wprowadzano w ilościach od 0,20% do 0,50% w stosunku do masy żeliwa. Drugi, FeSiMZR zawierający 18% Ce (nie oznaczano zawartości lantanu, neodymu i prazeodymu), był dozowany w ilościach od 0,14% do 0,36%. Oba żelazostopy, o wielkości ziaren 2 6mm, umieszczano jednocześnie w komorze reakcyjnej, w ilościach zgodnych z symetrycznym niekompozycyjnym planem drugiego stopnia Piesoczyńskiego [10]. Nie przeprowadzano modyfikacji grafityzującej. Jednorazowa porcja modyfikowanego żeliwa wynosiła 10 kg. Odlewano z niej wlewek próbny kształtu U typ II b (wg PN- 92/H-83123) oraz próbkę do analizy chemicznej metodą optycznej spektrometrii emisyjnej. Z odlanych wlewków próbnych wycinano a następnie wytaczano próbki wytrzymałościowe o średnicy pomiarowej d 0 = 14 mm. Przeprowadzano badania
247 doraźnej wytrzymałości na rozciąganie (R m ), umownej granicy plastyczności (R 0,2 ), wydłużenia względnego (A 5 ) i twardości Brinella (HBS). Tych ostatnich badań dokonywano na częściach chwytowych próbek wytrzymałościowych, stosując kulkę stalową o średnicy 10 mm i nacisk 29430 N. W celach porównawczych analogiczne badania wykonywano na próbkach żeliwa wyjściowego. Końcowa zawartość krzemu w żeliwie wahała się od 2,34% do 2,93%, natomiast bizmutu od 0,0006% do 0,0017% (oznaczano metodą atomowej spektrometrii absorbcyjnej) oraz ceru od 0,010% do 0,043%. W rezultacie opracowania wyników doświadczeń otrzymano adekwatne modele matematyczne badanych właściwości żeliwa w postaci poniższych wielomianów: R m = -444,0+401,1Bi+4609,0Ce-217,8Bi 2-6909,1Ce 2 R 0,2 = -393,7+344,0Bi+4097,1Ce-346,7Bi 2-6347,1Ce 2 [MPa], [MPa], A 5 = -7,1+3,1Bi+82,3Ce-4,4Bi 2-99,2Ce 2 [%], HBS = -39,6+300,9Bi+948,7Ce-666,7Bi*Ce-102,2Bi 2-1090,9Ce 2. W wyrażeniach tych Bi oraz Ce oznaczają rozchód FeSiCaBi oraz FeSiMZR (odpowiednio). Graficzną interpretację powyższych zależności przedstawiają rysunki 1 do 4. Rys.1. Związek pomiędzy rozchodem modyfikatorów a wytrzymałością na rozciąganie badanego żeliwa. Fig.1. A relationship between the expenditure of modifiers and the tensile
248 strength of the examined cast iron. 3. Omówienie wyników badań Spośród czterech podstawowych właściwości mechanicznych badanego żeliwa wydłużenie względne wykazało stosunkowo słabą zależność od rozchodu modyfikatora z bizmutem - jego współczynniki regresji w równaniu są o rząd mniejsze w porównaniu z rozchodem modyfikatora z cerem. W przypadku pozostałych właściwości odnotowano tendencję wzrostową w miarę zwiększania rozchodu FeSiCaBi. Można by zatem przypuszczać, że zwiększenie jego rozchodu powinno służyć dalszej ich poprawie, bez uszczerbku dla wydłużenia względnego. Należałoby jedynie zachować bez zmian rozchód modyfikatora FeSiMZR, na poziomie około 0,30%, z uwagi na strefę ekstremum. Rys.2. Związek pomiędzy rozchodem modyfikatorów a umowną granicą plastyczności badanego żeliwa. Fig.2. A relationship between the expenditure of modifiers and the yield strength of the examined cast iron. Na uwagę zasługuje fakt, iż modyfikacja powodowała bardzo mały wzrost twardości: żeliwo wyjściowe wykazywało twardość HBS w granicach 140 150 jednostek, natomiast po modyfikacji - 160 170 jednostek. W przypadku minimalnego rozchodu modyfikatorów odnotowano obniżenie twardości, nawet poniżej 100 HBS. Zaobserwowana tendencja jest powodowana ferrytyzacją osnowy. Żeliwo wyjściowe
249 posiadało osnowę całkowicie perlityczną, natomiast po modyfikacji stwierdzono wzrost udziału ferrytu do 80%.
250 Rys.3. Związek pomiędzy rozchodem modyfikatorów a wydłużeniem względnym badanego żeliwa. Fig.3. A relationship between the expenditure of modifiers and the unit elongation. Rys.4. Związek pomiędzy rozchodem modyfikatorów a twardością Brinella badanego żeliwa. Fig.4. A relationship between the expenditure of modifiers and the Brinell hardness. Przedstawione zmiany właściwości mechanicznych są adekwatne do zmian struktury żeliwa, tak w zakresie grafitu jak i osnowy. W cytowanej pracy [4] wykazano, że
251 modyfikacja żeliwa szarego obu omawianymi modyfikatorami powoduje wzrost udziału wydzieleń grafitu o wskaźniku kształtu ξ co najmniej równym 0,03 z poziomu 50% w żeliwie wyjściowym do ponad 95% w żeliwie modyfikowanym. Potwierdzeniem tego mogą być zdjęcia struktur żeliwa wyjściowego (rysunki 5 i 6) oraz modyfikowanego 0,5% FeSiCaBi i 0,25% FeSiMZR (rysunki 7 i 8). Żeliwo, którego mikrostrukturę przedstawiają rysunki 7 i 8 wykazało R m = 433 MPa, R 0,2 = 326 MPa, A 5 = 13,9 % i HBS = 162 jednostki. Żeliwo wyjściowe odznaczało się bardzo małą wytrzymałością (R m do 100 MPa), przy braku cech plastycznych. Rys.5. Grafit w żeliwie wyjściowym. Zgład nie trawiony, pow. 100x. Fig.5. Graphite in basis cast iron. Non-etched, magn. 100x. Przy ocenie omawianych rezultatów należy mieć na względzie fakt, iż zostały uzyskane bez stosowania dodatkowej modyfikacji grafityzującej. Można zatem przypuszczać, że wprowadzenie tego zabiegu powinno przynieść dalszą poprawę struktury (m.in. w zakresie jednorodności wydzieleń grafitu) i właściwości mechanicznych żeliwa.
252 Rys.6. Mikrostruktura żeliwa wyjściowego. Zgład trawiony nitalem, pow. 400x. Fig.6. Microstructure of basis cast iron. Etched with nital, magn. 400x. Rys.7. Grafit w żeliwie modyfikowanym dodatkiem 0,5% FeSiCaBi oraz 0,25% FeSiMZR. Zgład nie trawiony, pow. 100x. Fig.7. Graphit in cast iron modified with additions of 0,5% FeSiCaBi and 0,25% FeSiMZR. Non etched, magn. 100x.
253 Rys.8. Mikrostruktura żeliwa modyfikowanego dodatkiem 0,5% FeSiCaBi oraz 0,25% FeSiMZR. Zgład trawiony nitalem, pow. 400x. Fig.8. Microstructure of cast iron modified with additions of 0,5% FeSiCaBi and 0,25% FeSiMZR. Etched with nital, magn. 400x. 4. Podsumowanie Badania potwierdzają celowość złożonej modyfikacji żeliwa szarego zaprawami wprowadzającymi doń jednocześnie niewielkie ilości bizmutu oraz metale ziem rzadkich. Dzięki temu okazało się możliwym wytworzenie żeliwa ze zwartymi, a nawet kulkowymi wydzieleniami grafitu, o stosunkowo wysokich właściwościach mechanicznych - bliskich żeliwu sferoidalnemu gatunku 400-15. Omawiana modyfikacja powoduje bardzo silną ferrytyzację osnowy, co tłumaczy względnie małą twardość żeliwa. Tak znaczne zmiany jakościowe i ilościowe osiągnięto bez udziału magnezu i przy zawartości ceru poniżej poziomu krytycznego. Istotną i korzystną okazała się natomiast obecność prawie śladowych ilości bizmutu, pierwiastka wyjątkowo niebezpiecznego w klasycznej technologii żeliwa sferoidalnego. Badania finansowane w ramach projektu badawczego KBN Nr7 T08B 019 13.
LITERATURA 254 [1] Warchala T.: Pozytywna rola bizmutu w technologii żeliwa z grafitem zwartym i kulkowym. Krzepnięcie Metali i Stopów 1995 z. 22 str. 100 105. [2] Warchala T.: Efekty grafityzacji żeliwa podeutektycznego zarodkowanego modyfikatorami zawierającymi bizmut i cer. Materiały III Konferencji nt.: Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, Poznań-Kołobrzeg 1996, str. 239 246. [3] Warchala T., Soiński M.S.: Charakterystyki wydzieleń grafitu w żeliwie modyfikowanym dodatkami bizmutu i metali ziem rzadkich. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 1998 vol.18, nr spec., str. 297 306. [4] Warchala T., Soiński M.S.: Zmiany wskaźnika kształtu grafitu żeliwa modyfikowanego niewielkimi dodatkami Bi i Ce. Acta Metallurgica Slovaca 1999, (w druku). [5] Lerner Ju.S., Senkiewicz Ju.I., Bulajewski Ja.V.: Grafitizirujuszczaja obrabotka czuguna s szarowidnym grafitom wismut soderżaszczymi modifikatorami. Lit. Proiz. 1988, nr 7 str. 5. [6] Lieteart F., Hilaire P., Staroz C.: Development of more powerful inoculants for spheroidal graphite irons. 49-th Int. Foundry Congress, Chicago 1982. [7] Bulajewski Ja.V., Kozlow L.Ja., Ten E.B.: Modifikator dla wysokoprocznogo czuguna, soderzaszczyj vismut i RZM. Lit. Proiz. 1991 nr 9 str. 8 9. [8] Hecht M., Remy A.: Etude et controle des inoculants en laboratoire. Application au cas particulier de la fonte gs inoculee au moyen de FeSi75 content des mataux alcalino-terreux, des terres rares, du bismuth. Foderie Fond.d`aujourd. 1990 nr 91 str. 27 37. [9] Brechmann F., Fessel M., Ecob Ch.: Untersuchungen zum Einfluss von Vismut und Seltenerdmetallen im Impfmittel auf Gusseisen mit Kugelgraphit, speziell hinsichtlich des Magnesiumgehalts und der Gussstueckoberflasche. Giesserei 1994 vol.81, nr 24 str. 882 889. [10] Nowik F.S., Arsow J.B.: Optimizacia procesow tiechnologi metalow metodami planirowania eksperimenta. Maszinostrojenie, Moskwa 1980. Recenzował Prof. dr hab. inż. Stanisław Jura