WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA SFEROIDALNEGO OBRABIANEGO RÓŻNYMI MODYFIKATORAMI

Transkrypt

1 89/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA SFEROIDALNEGO OBRABIANEGO RÓŻNYMI MODYFIKATORAMI M. WILK 1, M.S. SOIŃSKI 2, P. MIERZWA 3 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Katedra Odlewnictwa, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W artykule omówiono wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia żeliwa sferoidalnego, obrabianego czterema różnymi modyfikatorami grafityzującymi. Do modyfikacji użyto klasycznego żelazokrzemu oraz zapraw zawierających dodatkowo odpowiednio stront, bar lub cyrkon. Właściwości żeliwa określono na próbkach odlanych bezpośrednio po zabiegu modyfikacji grafityzującej oraz około 20 minut po tym zabiegu. Keywords: nodular cast iron, inoculation, tensile strength, elongation WSTĘP Właściwości żeliwa sferoidalnego oraz trwałość efektu sferoidyzacji zależą w znaczniej mierze od modyfikacji grafityzującej. Przeprowadzana jest ona zazwyczaj bezpośrednio po wprowadzeniu do stopu magnezu i ceru (metali ziem rzadkich), może mieć także miejsce dodatkowo w trakcie rozlewania żeliwa do form. W wyniku modyfikacji ulega zmianie stan fizykochemiczny ciekłego metalu, wzrasta ilość zarodków heterogenicznych sprzyjających krystalizacji grafitu, eliminuje się możliwość powstawania zabieleń. Głównymi składnikami modyfikatorów grafityzujących są krzem i żelazo, a często także (stosunkowo niewielkie) ilości wapnia i aluminium. 1 mgr inż., wolf@mim.pcz.czest.pl 2 dr hab. inż., prof. P.Cz. 3 mgr inż., mierzwa@mim.pcz.czest.pl 33

2 W niektórych przypadkach działanie modyfikujące klasycznego żelazokrzemu okazuje się niewystarczające (np. w odniesieniu do odlewów cienkościennych [1]). W celu zwiększenia skuteczności oddziaływania modyfikatorów, a więc np. zapewnienia odpowiedniej ilości i rodzaju wydzieleń grafitu w całej objętości odlewu, wprowadza się do nich dodatkowo niewielkie ilości m.in. strontu, baru, cyrkonu. Zaprawy modyfikujące zawierające te pierwiastki są coraz szerzej stosowane w przemyśle odlewniczym. Celowe wydaje się określenie ich wpływu na niektóre właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego oraz ustalenie, jak kształtują się te właściwości po około 20 minutach od przeprowadzonych zabiegów modyfikacji grafityzującej. BADANIA WŁASNE Przedmiotem badań było żeliwo sferoidalne EN GJS (wg normy PN- EN 1563: Odlewnictwo. Żeliwo sferoidalne). Żeliwo wyjściowe wytapiano w piecu indukcyjnym tyglowym średniej częstotliwości o pojemności 2500kg, a następnie poddawano sferoidyzacji metodą dzwonową z użyciem zaprawy FeSiMg9. Po sferoidyzacji metal modyfikowano podczas przelewania z kadzi smukłej do zatyczkowej kadzi rozlewczej. W każdym z przeprowadzonych czterech wytopów użyto innego modyfikatora grafityzującego (tab. 1). Ilość modyfikatora była na stałym poziomie i wynosiła 0,5%. Tabela 1. Składy chemiczne zapraw użytych do modyfikacji grafityzującej Table 1. Composition of used treatment alloys Nr wytopu Modyfikator grafityzujący Zawartość danego pierwiastka [%] Si Ca Al Sr Ba Zr Fe 1 Foundry Grade , , reszta 2 Superseed max.0,1 max.0,5 0, reszta 3 Barinoc max.1, reszta 4 Zircinoc ,5 1-1, ,3-1,8 reszta Skład chemiczny badanego żeliwa, określony metodą spektrometryczną na zabielonych próbkach, podano w tabeli nr 2. W celu oceny struktury żeliwa przeprowadzono badania metaloznawcze przy użyciu mikroskopu optycznego. W przypadku wszystkich próbek (tzn. pochodzących z żeliwa z każdego z wykonanych wytopów) stwierdzono występowanie wydzieleń grafitu w kształcie VI i wielkości 4 oraz 5 (według normy PN-EN ISO 945: Żeliwo. Określanie cech wydzieleń grafitu). Osnowa żeliwa była perlityczno ferrytyczna. 34

3 Tabela 2. Skład chemiczny żeliwa bezpośrednio po modyfikacji grafityzującej i po upływie 20 minut od tego zabiegu Table 2. Composition of ductile iron directly after inoculation and 20 minutes after this operation Nr wytopu Modyfikator Upływ Skład chemiczny [%] czasu* [min.] C Mn Si P S Cu Mg Al Sc 1 Foundry Grade 2 Superseed 3 Barinoc 4 Zircon C S = c c Ceut C eut=4,25-0,3si 0,33 P + 0,027Mn 0,40S + 0,063Cr 0,074Cu 0,053Ni 0,015Mo gdzie: C C całkowita zawartość węgla w żeliwie w % C eut zawartość węgla w eutektyce grafitowej w % Si, P, Mn, S, Cu, Mg, Al zawartość danego pierwiastka w żeliwie w % * - od modyfikacji grafityzującej Z odlanych wlewków próbnych Y o grubości ścianki 25mm (typ II wg PN-EN 1563) wycięto próbki do badań właściwości mechanicznych. W przypadku każdego z wytopów wykonano po dziesięć próbek (pięć wycięto z wlewków odlanych bezpośrednio po zabiegu modyfikacji grafityzującej, a dalsze pięć z wlewków odlanych 20 minut później). Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenia względnego obrazują odpowiednio rysunki 1 i 2. W tabeli 3 zestawiono wyniki opracowania statystycznego. Przeprowadzono je pod kątem określenia istotności różnic pomiędzy średnimi wartościami wytrzymałości na rozciąganie żeliwa obrabianego klasycznym żelazokrzemem (tzn. Foundry Grade) oraz pozostałymi modyfikatorami, a także istotności różnic wytrzymałości na rozciąganie żeliwa odlewanego w różnym czasie po zabiegu modyfikacji. Analogiczne obliczenia przeprowadzono w przypadku wydłużenia względnego. PODSUMOWANIE Użycie do modyfikacji grafityzującej ciekłego żeliwa, poddanego sferoidyzacji metodą dzwonową, rozpatrywanych zapraw, zapewniło wytworzenie żeliwa w gatunku EN-GJS (patrz rys. 1). Bezpośrednio po zabiegu modyfikacji najniższą wytrzymałością na rozciąganie cechowało się żeliwo obrabiane klasycznym żelazokrzemem, tzn. Foundry Grade. W pozostałych przypadkach wytrzymałość R m 35

4 Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Foundry Grade Superseed Barinoc Zircinoc Użyty modyfikator grafityzujący Wytrzymałość wy znaczona na próbkach odlany ch bezpośrednio po modyfikacji Wytrzymałość wy znaczona na próbkach odlany ch ok. 20 min. po mody f ikacji Rys. 1. Wytrzymałość na rozciąganie żeliwa sferoidalnego wytworzonego z użyciem różnych modyfikatorów grafityzujących, wyznaczona na próbkach odlanych bezpośrednio po zabiegu modyfikacji grafityzującej i na próbkach odlanych ok. 20 minut później Fig. 1. Tensile strength of ductile iron obtained with use of various inoculants, directly after inoculation and ca. 20 minutes later była wyższa i można tutaj mówić o różnicach istotnych statystycznie (patrz dane w tabeli 3). Najwyższą wytrzymałością charakteryzowało się żeliwo, od którego dodano zaprawę z dodatkiem baru (tzn. Barinoc). Porównanie wyników badania wytrzymałości żeliwa na rozciąganie przeprowadzone na próbkach odlanych 20 minut po modyfikacji i bezpośrednio po tym zabiegu wykazało, że istotnie różnice w wartościach tego parametru występują w przypadkach: wprowadzenia do żeliwa zaprawy Foundry Grade; wytrzymałość R m wzrasta po upływie podanego czasu o ok. 60MPa; wprowadzenia do żeliwa zaprawy Zircinoc (tzn. z dodatkiem cyrkonu); wytrzymałość R m spada po upływie podanego czasu o ok. 30MPa. W tym ostatnim przypadku żeliwo nie spełnia już kryteriów stawianych gatunkowi EN- GJS (R m wynosiła zaledwie około 490MPa). Wydłużenie względne badanego żeliwa we wszystkich przypadkach znacząco przekraczało wymagany minimalny poziom (7%); najwyższe wartości wystąpiły - dla żeliwa odlanego bezpośrednio po modyfikacji w przypadku użycia do tego zabiegu Barinoc u i Zircinoc u (powyżej 16%). Po upływie 20 minut od modyfikacji grafityzującej, w dwóch przypadkach zaobserwowano spadek wydłużenia (stop 36

5 obrabiany Foundry Grade i Barinoc iem), a w dwóch pozostałych przypadkach wzrost tego parametru. Wysokie właściwości mechaniczne (R m i A 5 ) żeliwa modyfikowanego zaprawą z dodatkiem baru (tzn. Barinoc iem) potwierdzają korzystną opinię o jej przydatności w produkcji żeliwa sferoidalnego [1,3]. Wyniki badań nie potwierdziły natomiast opinii o negatywnej roli strontu w technologii żeliwa sferoidalnego, prezentowanej m.in. przez autora pracy [4]. Wydłużenie względne [%] Wy dłużenie względne wy znaczone na próbkach odlany ch bezpośrednio po mody f ikacji Wy dłużenie względne wy znaczone na próbkach odlany ch ok. 20 min. po mody f ikacji Foundry Grade Superseed Barinoc Zircinoc Użyty modyfikator grafityzujący Rys. 2. Wydłużenie względne żeliwa sferoidalnego wytworzonego z użyciem różnych modyfikatorów grafityzujących, wyznaczone na próbkach odlanych bezpośrednio po zabiegu modyfikacji grafityzującej i na próbkach odlanych ok. 20 minut później Fig. 2. Elongation of ductile iron obtained with use of various inoculants, directly after inoculation and ca. 20 minutes later 37

6 Tabela 3. Wyniki oceny istotności różnic pomiędzy rozpatrywanymi średnimi właściwościami mechanicznymi żeliwa sferoidalnego Table 3. Significance assessment of differences between average mechanical properties of ductile iron Ocena porównania wytrzymałości na rozciąganie żeliwa obrabianego danymi modyfikatorami Wartość Wynik i odlanego od zabiegu współczynnika testu modyfikacji po czasie Ur [min] Ocena porównania wydłużenia względnego żeliwa obrabianego danymi modyfikatorami i odlanego od zabiegu modyfikacji po czasie [min] Wartość współczynnika Ur Wynik testu FG S 0 2,741 Od. 0 0,284 Nie FG S 20 1,447 Od. 20 0,324 Nie FG B 0 1,221 Od. 0 0,129 Nie FG B 20 1,123 Od. 20 0,206 Nie FG Z 0 0,714 Od. 0 0,053 Nie FG Z 20 2,777 Od. 20 0,932 Od. FG FG 0 i 20 1,998 Od. FG FG 0 i 20 0,600 Od. S S 0 i 20 0,267 Nie S S 0 i 20 0,143 Nie B B 0 i 20 0,430 Nie B B 0 i 20 0,187 Nie Z Z 0 i 20 1,111 Od. Z Z 0 i 20 0,333 Nie Oznaczenia: FG Foundry Grade; S Superseed; B Barinoc; Z- Zircinoc. Od. hipotezę o równych średnich można odrzucić. Nie nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy o równych średnich. Hipotezę o równych średnich można odrzucić, gdy obliczona wartość Ur> Ur,t (z tablic; dla a=0,05 i n=5 wynosi ona 0,493 [2]. LITERATURA [1] E. Fraś, Cz. Podrzucki: Żeliwo modyfikowane. Wyd. AGH, Kraków [2] W. Volk: Statystyka stosowana dla inżynierów. WNT, Warszawa, [3] Cz. Podrzucki: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. T. 1, Wyd. ZG STOP, Kraków [4] S.I. Karsey: Żeliwo sferoidalne. I. Wytwarzanie. QIT Fer et Titane Inc., Warszawa MECHANICAL PROPERITIES OF DUCTILE IRON TREATED WITH VARIOUS INNOCULANTS SUMMARY Results of tensile strength and elongation examination of ductile iron treated with various inoculants have been shown in the paper. Classic ferrosilicon and compositions containing barium, strontium and zirconium were used. Mechanical properties directly after the modification and 20 minutes later were examined. Recenzował: Prof. Zbigniew Stradomski 38