MOŻLIWOŚCI ZMłANY WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH ŻE LIWA SFE

Krzepnięcie metai i stopów t. VI I I PL ISSN 0208-9386 ISBN 83-04-0 1820-9 Ossoineum 1984 Andrzej Byicfi, Władysław Orłowicz MOŻLIWOŚCI ZMłANY WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH ŻE LIWA SFE ROIDALNEGO SPOSOBEM WYŻARZANIA W ZAKRESIE TEMPERATUR PRZEMIANY A 1 W produkcji niestopowego żeiwa sferoidanego występują dwie tendencje. Pierw sza opiera się na dążeniu do otrzymania okreśonego gą.tunku żeiwa wyłącznie przez dobór odpowiedniego w sadu metaowego, procesu metaurgicznego i warunków chłodzenia. Założeniem drugiej tendencji jest możiwość otrzymania różnych gatunków żeiwa wyłącznie przez dobór odpowiedniej obróbki ciepnej jednego gatunku wyjściowego, w ceu ograniczenia do minimum iości żeiwa różniącego się składem chemicznym. Da opracowania właściwej obróbki ciepnej konieczna jest dokładna znajomość temperatur i kinetyki przemian podczas nagrzewania, chłodzenia,a także w warunkach izotermicznego wytrzymania. \ W iteraturze technicznej daje się zaobserwować zainteresowanie podnoszeniem własności mechan i cźnych i ekspoatacyjnych że iwa sferoidanego na drodze obróbki ciepnej w z akresie temperatur przemiany eutektoidanej. W pracy Pawjuczenki i Sołncewa[] stwierdzono, że po hartowaniu z zakresu Aci -Ac odewy z żeiwa sferoidanego - mają korzystniejsze własności mećhaniczne n iż po hartowaniu z temperatur k powyżej Ac 1 W Dniepropietrowskiej Fabryce Kół Zębatych koa z niestopowego żeiwa sferoidanego hartowane z temperatur w zakresie Ac;i -Ac i odpuszczar.e w temperaturze 350-400 C miały pięciokrotnie większą żywotność niż ko ła z uepszonej ciepinie stai 45. W pracy Hummera i Westerhata [2] przez obróbkę ciepną niestopowego żeiwa sferoidanego poegającą na 4 godzinnym-wygrzewaniu w temperaturach z zakresu Aci -Ac z następnym chłodzeniem w powietrzu otrzymano

154 Andrzej Byica, Wł adysław Orłowicz żeiwo GGGSD. W pracy Yuchi Tanaki i Katsuga kaisa [ 3 J stwierdzono, że nagrzewanie że : w a sferoidanego do górnej granicy z ak re su temperatur przemi any eutektoidane j, wygrzanie i chłodżenie w powietrzu daje st rukturę ferrytyczno-perityczną o o zmiarac h ziarn mniejszych niż po wytrzymaniu w temperaturach z donego ok re su temperatur przemiany e u te ktoidanej. Że i w o takie wykazuje znaczny w zrost wytrzymałości na ro zciąganie, wytrzymałości zmęczeni o w ej i granicy pastycznośi. W pra cy Petriczenki i Soneewa [ 4] wykonano badania nad p oep zeniem wła s ności mechanicznych że iw a sferoidanego drogą z mi any składu chemic z nego i obróbki ciep'łnej. Stosowano międ zy innymi schemat z izotermicz- \ nym wytrzymaniem w temperaturze z zakresu przemiany Ac 1 w czasie 2 godzin, z późn i e jszym chłodzeniem w p<;jwietrzu ub hartowaniem 'izoter-. micznym. W pracy Piaskow skiego i Steca [ 5 J s tosowano również s chemat po e gający na chłodzeniu w powietrzu żei w a sferoidanego po 2- go - p k. d zi.nnym wytrzymaniu w temperaturach z zakresu Ac 1 -Ac 1 W pray Pas - kow skiego i Steca [ 6] wykonano badania mające na c e u ok re śenie wpływu parametrów jedno- i dwustopniowego wyżar z ania na własnoś ci mechan iczne uzyskanego żeiwa sferoidanego. Jakkowiek n ie podano w pracy zakresu temperatur przemiany eutektoidanej to jednak naeży przypusz czac, że niektóre temperatury wyżarzania eż ą \V zakresie tempe ratur p k p k Ac 1 -Ac 1 b Ar 1 -Ar 1 Na kinetykę przemiany eutektoidanej wpływaj ą : skład chemiczny, struktura wyjści owa, szybkość chłodzenia, szybkość n agrzewania, temperatura austenityzowania, wymiary i iczba wydzieeń grafitu sferiodanego [ 7-10] i podobnie jak przy grafityzacji temperatura izotermicznego wytrzymania [ 11, 12]. Z najomość temperatur i kinetyki przemiany podaje moż iwość sterowania pocesem obróbki ciepnej. Nieiczn e wspj mniane prace wskazują n a ceowość podjęcia daszych bad ań. Datego ceem praćy było okreśenie możiwości zmiany wł as ności mechanicznych żeiwa sferoidanego na drodze obróbki ciepnej z zakre su przemiany Ac 1 ub Ar 1, na podstawie znajomości temperatur i kinetyki przemiany e utektoidanej. Zakre s pracy był następuj ący : - opracowanie wykresu CTPc w warunkach ciągłego nag r zewania, \

Możiwości zmiany własności mechanicznych żeiwa... 155 - opracowanie wykresów CTPc w warunkach ciągłego chłodzenia, - okreśenie wpływu temperatury i czasu izotermicznego wytrzymania w zakresie przemiany Ac 1 i Ar 1 na kinetykę przemiany oraz własności mechaniczne żeiwa. Żeiwo topiono w piecu eektrycznym Junker, namiar do pieca podano w tab,. Temperatura mierzona przed spustem wynosiła da wytopu - da wytopu 2 1450 C, 1465 C. Tabea. Namiar do pieca oporowego Materiały w sadowe Numer wytopu 2 Surówka OB 160 160 Złom obiegowy Zs 70002 234 230 Si75 2 2 Mn75 2,5 2,5 Nikie Ni 99,5E,6,6 Eektrody 2,4 2,5 Żeiwo przeewano do kadzi KOZ-1, na dnie której umieszczono, 2 kg magnezu w prętach i 25 dkg zaprawy o składzie: 2,5% Si, 4,5% A, 1,0% Ce, 12% Mg, 1,3% Cr, 81,7% Fe. Po za.ończeniu sferoidyzacji przeprowadzono modyfikację żeazokrz emem dodając 3, 6 kg Si75. Wewki, z, których wykonano próbki, odano zgodnie z PN-69H-83124. Temperatury zaewania form wewków wynosiły da wytopu - 1330 C, da wytopu 2-1360 C. Badania składu chemicznego wykonano zgodnie z PN- 64H- 04007, skad chemiczny żeiwa podano w tab, 2. Żeiwo w stanie wyjściowym posiadało strukturę perityczną z grafitem sferoidanym w otoczce ferrytycznej (rys. ). Własności mechaniczne próbek w stanie wyjściowym bez obróbki ciepnej wynosiły '

156 Andrzej Byica, Władysław Orłowicz Tabea 2. Skład chemiczny żeiwa Numer wytopu Zawartość pierwiastków (%) c S i M n Ni Cr T i s p Mg 3,09 2,67 0,52 0,64 o, O 0,04 0,012 0,09 0,06 2 3,11 2,62 0, 57 0,60 0,10 0,05 0,015 0,14 0,06 Rys.. Struktura ż ei w a Zs 70002 stan wyjściowy, pow. 300 x, traw. 4% HN0 3, perit, grafit sferoidany w otoczce ferrytycznej R As HB m wytop - 720 MPa 3% 300 wytop 2-714 MPa 4% 297, odpowi ada ły więc gatunkowi żeiwa sferoida nego Zs 70002. 400 300 200 o, t Y, Gr V 7 ' ' ;...-v ' 200 400 600 Tmperoturo c A A Rys. 2. Dyatogram żeiwa Zs 70002 (wytop ) nagrzewanie z szybkoś ci ą 300 Ch ad. Opracowanie wykresu CTPc w warunkach nagrzew ani a ciągłego Badania wykonano na dyatometrze LS-4 z czujnikiem indukcyjnym w atmosferze argonu.. 4+0,05 Probki mia y srednic ę op - mm i długość 20;:-0,0S mm. Stosowano następujące szybkości nagrzew ani a 10 Ch, 45 Ch, 150 Ch, 300 Ch oraz rv 32000 C h ( włożeni e prób-

Możiwości zmiany własności mechanicz,nych żeiwa 157 ki do nagrzanego do t emperatury 1000 C pieca dyatometru). Przykładowy dyatogram przedstawi ono na rys. 2. Wyniki badań dyatometrycznych pozwoiy skonstruować wykres CTPc w warunkach ciągłego nagrzewania (rys. 3 ). (Yy en 500,,... _..<t. A G,.,. F A G 11.G,s k r-- P-t F G "., 'i 1ij P- F G 'J:L:,?. L --..._ 1\ p r--1_,..._ P>f G V JOO 20 10 f- V --- 10 2 Czas min. -... S<!. 1Q Rys. 3. Wyk r es CTPc w w arunkach ciągłego nagrzewania żeiwa Zs 70002 (wytop ) ad. 2, Opracowanie wykresu CTPc w \v arunkp.ch chłodze nia ciągłego Pr zyjęto tempe raturę au s tenityzowa nia 900 C. Czas wytrzymywania w t emper aturze austenityzowania wynosił 20 min. Z tempe r a tury austenityzowania próbki chodzono z s zybkości ami 30 Ch, 90 C h, z piecem dyatometru, w powietrzu, w szke wodny m, w wod zie o temperaturze 50 C, j?eiwo sferoidofe' 70002 Grzani do 95tfC 3min, T 20min. 300 Sz ybkość chodz nio 30 C h 5 so > o 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperoturo c Rys. 4. Dyatogram żeiwa Z s 70002 (wytop ) chłodzonego z szybkością 30 Ch, temperatura austenityzowania 900 C w p eju, w emus ji, w wodzie z mydłem, Przykładowy dyatogram przeds tawi ono n a rys. 4. Na próbkach po badaniach dyatom0trvcznych f yko-

158 Andrzej Byica, Władysław Orowicz nano uzupełni ające badania metaograficzne i pomiary twardości. Wyniki badań dyatometrycznych, metaograficznych i twardości po żw oiy skonstruować wykres CTPc żeiwa sferoidanego gatunku Z s 70002 (rys. 5). 00 J c [s J!1_n[N;j s P Mg - wytop 1 Q61,0,0!2 o 800?IY :::- 1'-':: - ""' " ""' --...:.... '\,.621 0.571 ISOK 1.15 1!4 \ \ A X: r,..: \ : X \ \ '0 18' '(. = -<:: ;:)" @.. M ' i 1'?05)):... i III 1 10 10' 10' 10 4 10 5 Czas, s ' Rys. 5. Wykres CTPc w warunkach chłodzenia ciągego żeiwa Zs 70002, temperatura austenityzowania 9000C 90 o... 80 o 500 40 ov 300 10, 2 :--... vv V # t'-,,(>' V 10 no n4 10 Czas, s Rys. 6. Szybkość nagrzewania i chłodzenia pieca PEK-100 \ ad 3. Okreśenie wpły-wu tempera- ' tury i czasu izotermicznego wytrzymania w zakresie przemiany Ac 1 na kinetykę przemiany oraz własności mechaniczne żeiwa Obróbkę ciepną próbek wykonano w piecu PEK-100, przy szybkości nagrzewania ub chłodzenia pieca jak na rysunku 6. Da poznania kinetyki przemiany Ac 1 przy stosowanej szybkości nagrzewania pieca PEK-1 00 (rys. 6 ), wyznaczono metodą dyatometryczną temperatury przemiany, które wynosiły Acp - wytop - 772 C.o

Możiwości zmiany własności mechanicznyc h ż ei wa. 159 o wytop 2-770 C Na tej podstawie przyjęto temperatury izotermicznego wytrzymania próbek 770,. 780 i 800 C, t zn. temperatury oc zą tku, środka i końca prze mi any Ac - w tych temperaturach wytrzymano próbki w dyatometrze. 1 Przykładowy dyatogram przedstawiono na rys. 7. Stopień przemiany sprawdzono dodatkowo anaizując st rukturę próbek hartowanych po różnych czasach izotermicznego wytr zymania. Na podstawie znajomości kinetyki przemiany Ac 1, d zięki osiągniętych E "' 1 Zerrwo sferoidane 70002 naąrzan pie<em no c i izo - 350 termiczni wytrzymam? w 77o c :m = LW '""... 1VJ 11 III J.,...r-- :::: badaniom dyatome trycznym, przeprowad zono badania wpływu te mperatury i czasu i zoterm.cznego wytrzyma- Rys. 7. Dyatogram żeiwa sferóidanego nagrzanego do temperatury 770 C i izotermicznie wytrzymanego 14 h ni a w zakresie przemiany Ac 1 a wł asnoś ci mechaniczne żeiwa sferoidanego. Obróbkę ciep ną próbek V k: 50 100 200 :m 400 500 600 700 800 900 1000 Tttm peratu ra, c wykonano w piecu PEK-100. Próbki. do badań umieszczono w kwarcowych rurkach zasypanych opiłkami żeiwa. Da kontroi temperatury próbek w otworze nawierconym w osi jednej próbki montow ano termoparę NiCr-.Ni, współpracuj ącą z te rmokompensatorem Norma. Próbki ładowano do pieca n agrzanego do temperatury 300 C i następni e nagrzewano do założony c h temperatur i. wytrzymywano w przyjętych czasach oraz chłodzo no w powietrzu. Stosowano następujące czasy izotermicznego wytrzymania: -da temper atury 770 C: 0, 8, 19, 48, 360 min, - da temperatury 780 C : O, 8, 30, 360 min, - da temperatury 800 C: 0, 8, 36, 360 min. Wyniki badań własności mechanicznych (Rm, AS ' HB ) przedstawiono w tab. 3 oraz na rys. 8. Przedstawione wyniki badań Rm i AS s ta no w ią średnią arytmetyczną z sześciu pomiarów. W wyniku tak przeprowad zone j o bróbki. ciepnej uzyskano osnowy perityczno-ferrytyczne do peritycznych, w zaeżno ści od temperatury i czasu izotermicznego wytr zymania.

' ' 160 Andrzej Byica, Władysław Orłowi cz Tabea 3. Własności mechaniczne żeiwa (wytop i 2) po izotermicznym wytrzymaniu w zakresie przemiany Ac Temperatura Czas wy- R (MPa) As (%) HB m (o C) trzymania (min) 2 2 2 o 565 547 O, O 10,0 196 192. 770 780 800 8 582 550 9,0 19 600 602 8,0 48 655 643 6,7 360 864 880 6 3 o 61 5 600 8,5 8 675 656 8,0 30 710 690 6, 5 360 890 910 5,2 o 635 647 7,2 8 715 708 6,0 36 883 860 5,3 360 950 940 4,3 9,0 208 202 8,5 230 223 7,0 235 225 6 o 278 272 9,0 202 198 8,5 240. 235 6,0 255 249 5 o 305 302 7,0 220 217 6,0 240 236 5,0 290 281 4,0 320 318 'J..U.!UJ. &D!' 1 - k=:= r;;;= --""' t::7 9 \ ::agg1 \\ 8 \ ' 6 +-- ----. s - "'7 32 300 275 I "' 29J."225 o 200 175 o c! Q;f!f- --=:;::::.!...-. b:::::::: -- 7 3 czas, h. no'c?8q'c &D' c \ Rys. 8. Wpływ temperatury i czasu izotermicznego wytrzymania w zakresie.'c:t na wł asności mechar.iczne żeiwa sferoidanego (chłodzenie w powietrzu)

Możiwości zmiany własności mechanicznych żeiwa Rys. 9. Struktura żeiwa Zs 70002 grzanego z piecem do temperatury 770 C, izotermicznie wytrzymanego w niej 360 min i chłodzonego w pb- w1etrzu, perit, ferryt, g:;afit sferoidany, powi.ększenie 300 x ad 3b. Okreśenie wpływu temperatury i czasu izotemicznego wytrzyma nia w zakresie przemiany Ar na kinetykę prze.miany oraz własności mechaniczne żeiwa Da poznania kinetyki przemiany Ar 1, przy stosowanej szybkości chłodzenia pieca PEK-100 (rys. 6) wyznaczono metodą dyatometryczną temperatury przemiany, A rp - wytop - 725 C - wytop 2-726 C Na tej podstawie przyjęto które wynosiły k Ar 1 680 C 682 C temper atury izotermicznego wytrzymania próbek 725 C i 700 C, tzn. temeratury początku i z zakresu przemiany Ar 1 Da poznania kinetyki przemiany Ar 1 w tych te'peraturach wytrzymano próbki w dyatometrze; przy:kadowy dyatogram przedstawiono na rys. 10. Stopień przemiany sprawdzono dodatkowo, anaiz ując strukturę próbek hartowanych po różnych czasach izotermicznego wytrzymania. Na podstawie znajomości kinetyki przemiany Ar 1, osiągniętej dzięki badaniom dyatometrycznym, przeprowadzono badania wpływu temperatury i czasu izotermicznego wytrzymania w zakresie przemiany Ar 1 na własności mechaniczne żeiwa sferoidanego. PrObki ładowano do pieca

Andrzej Byica, Władysław Orło wic z teiwo soroidone 70002 AustPnityzowanP w goo c -30 min 350 roir ff.:g, 2 ff2s c IT n-:t D 2 ISO m 50 _ r--., 13 12,11 10 g 8 7 6 s 4 3 2 1 czas h 100 200 300 400 500 600 700 8JO 900 1000 Tpmppratura c Rys. 10. Dyatogram żeiwa sferoidanego (wytop ) chłodzonego do temperatury 72S C izotermicznie wytrzymanego 13, S h O, S, 60, 180, 480 min. V PEK-100 nagrzanego.do terno peratury 900 C, wytrzymano 30 min, chłodzono z piecem do założonych temperatur, wytrzymano w przyjętych czasach oraz chłodzono powietrzu. w Stosowano następujące czasy izotermicznego wytrzymania : - da temperatury 72S C: O, 40, 80, 160, 480 min, - da temperatury 700 C: Wyniki badań własności mechanicznych (Rm' AS' HB) przedstawiono w tab. 4 oraz na rys. 11. Tabea 4. Własności mechaniczne żeiwa (wytop i 2) po izotermicznym wytrzymaniu w zakresie przemiany Ar 1 Temperatura Czas wy- R (MPa) As (%) HB m (o c) trzymania (min) 2 2 2 o 76S 764 4,S 5,0 280 272 40 680 675 6,0 6,5 260 2S6 72S 80 67S 672 6,S 7,0 2SO 24S - 160 660 652 7,S 8,0 23S 230 480 ' 647 63S 10 o 10 o 180 177 o 620 614 s,o 6,0 236 236 5 600 590 6,0 7,S 216 212 700 60 537 531 8,0 10,0 19S 190 180 520 S30 12,0 13,0 187 186 480 S5 520 18,0 16,0 178 175 W wyniku tak przeprowadzonej obróbki ciepnej uzyskano osnow ę perityczną (72S C) ub perityzno - ferrytyczną (700 C), zmieniającą

Możiwości zmiany własności mechanicznych żeiwa się w miarę upływ u czasu izoter micznego wytrzymania na osnowę ferr y tyczną z niewieką iścią peritu (rys. 12). '"i 7(JJ 1\ - 69J owyłoj: o wytoi 2 725 c 700'C 15 10 5,Ó' c 725' c 2 250 225 2 175 p::; 4 (Z05 h k:-- 5 Rys. 11. Wpływ temperatury i czasu izotermicznego wytrzymania w zakresie temperatur przemiany Ar1 na własności mechaniczne ż eiw a sferoidanego (chłodzenie w powietrzu) Rys. 12. Struktura żeiwa Zs 70002 c hłodzonego do temperatury 725 C, izotermicznie wytrzymanego w tej temperaturze w czasie 8 Podzi.n i chłodzonego w powietrzu, ferryt, szczątki peritu, grafit sferoi.dany, po- Wększeni.e 300 x

Andrzej Byica, Władysław Orłowicz Podsumowanie wyników badań Izotermiczne wytrzymanie wyjściowego gatunku żeiwa sferoidanego Z s 70002 w zakresie temperatur przemiany Ac 1 umożiwia dokładne, zgodne z potrzebami, otrzymanie różnych gatunków żeiwa od 55002 do Zs 90002, charakteryzujących się przy tym większą od wymogów Poskich Norm pastycznością (AS odpowiednio.od 10% do 4,5%). Najwyższą wytr zymałość na rozciąganie (R = 940 MP a ) osiąga się przy izotermim cznym wytrzymaniu żeiwa w górnym zakresie temperatur przemiany Ac 1!zotermiczne wytrzymanie wyjściowego gatunku żeiwa sferoidanego Z s 70002 w zakresie temperatur przemiany Ar 1 umożiwia dokładne, zgodne z potrzebami, otrzymanie różnych gatunków żeiwa od 70002 do 50007' charakteryzujących się przy tym znacznie większą od wymogów Poskich Norm pastycznością (AS odpowiednio od 4,5% do 18%). Zastosowanie opracowanych wykresów CTPc przy nagrzewaniu i chłodzeniu że i w a sferoidanego oraz wyników badań wpływu izotermicznego wytrzymania w z akresie temperatur przemiany Ac i Ar na kinetykę przemiany i własności mechaniczne pozwaa uzyskać dokładnie żąda 1 1 ny gatunek żeiwa sferoidanego. Naeży zwrócić jednak uwagę na fakt, że utrzymanic wymaganych mechanizmów obróbki ciepnej jest trudne do osiągnięcia. Literatura [ J A. M. Pawuczenko, L. A. Sonc;ew: Czernaja Mietałurgia, 4 (1975) 141. [ 2] R. Hummer, W. Westerhat: Giesserei-Prax., 112 (1979) 15. [ 3] Yuichi Tanaka, Katsuga Ikasa : Grain refining heat treatment of spheroida graphi te cast' iron and its mechanica properties, 44 MKO, Forencja 1977; ref. 5. [4] A. M. Petriczenko, L.A. Soncew : Powyszenije swojstw magniewa go czuguna, Naukowa Dumka, Kijew 1974. [s] J. Piaskowski, J. Stec: Prace Instytutu Odewnictwa, 25, 3 (1975) ' 259.

Możiwości zmiany własnośc i mechanicznych żeiwa.. 165 [ 6] J. Piaskowski, J. Stec: Przegąd Odewnictwa, 27, 12 (1978), 285. [ 7] A. Byica, W. Orowic z, A. Kozik : Kinetika austenitnogo prewraszczenija w wysokoprecznom czugunie w procesie ochłażdeni.ja, Dokłady i naucznyje soobszczenija Lwowskogo Poitechniczeskogo Instituta, Lwów 1978. [ 8] A. Byica: Wpływ krzemu i manganu oraz szybkości grzania i chłodzenia a temperatury przemiany A 1 w żeiwie sferoidanym. Praca habiitacyjna. Zeszyty Naukowe Foitechniki Śąskiej nr 329, Giwice 1972. [ 9 J W. Orowic z : Wpływ krzemu i manganu oraz szybkości chłodzenia na prz e mianę Ar 1 w żeiwie sferoidanym, Praca doktorska, Foitechnika Śąska, Giwice, 1979 ; nie pubikowana. [10] A. Byica, W. Orowic z: MateriaprUfung und Messtechnik 3 (1980) ' 120. [11 J J. Rączka: Prace Instytutu Odewnictwa, 12, 3 (1S62), 265. [1 2] Praca zbiorowa: Teoria procesów technoogicznych w odewnictwie metai, WNT, Warszawa 1965.