CHARAKTERYSTYKA STRUKTURY BIAŁEGO ŻELIWA CIĄGLIWEGO Z DODATKIEM MAGNEZU

Transkrypt

1 47/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN CHARAKTERYSTYKA STRUKTURY BIAŁEGO ŻELIWA CIĄGLIWEGO Z DODATKIEM MAGNEZU A. TABOR 1, K. LEWANDOWSKI 2, K. ZARĘBSKI 3, P. PUTYRA 4 1) Politechnika Krakowska, Centrum szkolenia i Organizacji Systemów Jakości, Al. Jana Pawła II 37, Kraków 2) Odlewnia Żeliwa Ciągliwego S.A., Zawiercie ul. Leśna 10 3,4) Politechnika Krakowska, Instytut Inżynierii Materiałowej, Al. Jana Pawła II 37, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono charakterystykę struktury żeliwa ciągliwego z dodatkiem magnezu. Dodatkowo zamieszczono wyniki z pomiarów twardości oraz ze st a- tycznej próby rozciągania, przeprowadzonej na próbkach odlewanych. Uzupełnieniem tych badań są zdjęcia faktograficzne uzyskanych przełomów. Key words: whiteheart melleable cast iron, tensile strangth, elongation, hardness 1. WPROWADZENIE Wytwarzanie żeliwa ciągliwego obejmuje wytapianie materiału wyjściowego, jakim jest żeliwo białe oraz obróbkę cieplna odlanych odlewów, dla zapewnienia im wymaganej struktury. Żeliwo białe stanowiące produkt wyjściowy do produkcji żeliwa ciągliwego posiada strukturę złożoną z perlitu i cementytu, odznaczającą się dużą twa r- dością (ok. 400HB) oraz kruchością. Tworzywo takie po odpowiedniej obróbce ciep l- nej, to jest wyżarzaniu w regulowanej atmosferze staje się żeliwem ciągliwym. W zależności od rodzaju obróbki cieplnej materiału wyjściowego uzyskuje się żeliwo ciągliwe białe (jak po wyżarzaniu w regulowanej atmosferze utleniającej), żeliwo cią- 1 dr inż., 2 dr inż., 3 mgr inż., 4 mgr inż., 371

2 gliwe czarne lub żeliwo ciągliwe perlityczne (po wyżarzaniu w regulowanej atmosferze obojętnej) [1,2]. 2. BADANIA WŁASNE Celem pracy było określenie struktury białego żeliwa ciągliwego ZcBEN-GJMW Dla zwiększenia właściwości wytrzymałościowych charakterystycznych dla żeliwa ciągliwego białego podjęto próbę częściowej sferoidyzacji grafitu, występującego w tym materiale przez wprowadzenie dodatku magnezu. Prócz charakt e- rystyki struktury badanego materiału celowym było wyznaczenie właściwości wytrzymałościowych (wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie) oraz charakteru pękania. Przedmiotem badań było żeliwo białe po wyżarzaniu pochodzące z Odlewni Żeliwa Ciągliwego S.A w Zawierciu. Jako wsad metalowy stosowano surówkę odle w- niczą hematytową LH4 (15%), złom obiegowy ciągliwy (55%) oraz złom stalowy (30%). Proces topienia prowadzono w tyglowym piecu indukcyjnym o pojemności 6 ton. Temperatura spustu wynosiła 1500 C, temperatura zalewania 1440 C. Wszystkie formy formowano i zalewano na automacie Disamatic, w masach wilgotnych z doda t- kiem bentonitu i pyłu węglowego. Sferoidyzację przeprowadzono za pomocą przewodu elastycznego SKW o składzie 61g Mg, 123g Si oraz 1,7g metali ziem rzadkich, na metr bieżący przewodu. Materiał do badań poddano obróbce cieplnej w tunelowym piecu żalniczym BIRLEC z regulowana atmosferą utleniającą. Cykl żarzenia przeprowadzono w temperaturze 1050 C przy stosunku CO/CO 2 w granicach 2,8-3,4. Do prób wytrzymałościowych odlano próbki o średnicy 12mm; materiał do obserwacji struktury pobrano z części chwytowej próbek. Skład chemiczny badanego żeliwa podano w Tabeli 1. Uzyskane żeliwo charakteryzowało się wytrzymałością na rozciąganie R m mieszczącą się w granicach 572MPa 643MPa, a wydłużeniem A 3 wynoszącym od 5,5% do 8,3%. Tabela 1. Skład chemiczny badanego żeliwa Table 1. Chemical composition of the examined cast iron Skład chemiczny [%] C Si Mn P S Cr Mg 2,93 0,79 0,52 0,02 0,036 0,064 0,08 Obserwacje struktury przeprowadzono na mikroskopie optycznym Nikon Eclipse ME600P przy powiększeniu 500x. Dodatkowo przeprowadzono analizę wydzieleń występujących w badanym żeliwie za pomocą mikroskopu skaningowego JSM 5510LV firmy JEOL, wyposażonego w przystawkę EDS IXRF System 500 Digital Processing. Obserwację przełomów wykonano na mikroskopie Jeol JSM 50A. Pomiary twardości wykonano na Microhardness Tester FM-700e firmy Future Tech. Wgłębnik twardościomierza obciążany był siłą wynoszącą 245,2 mn, czas obciążania wynosił 10s. 372

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. PODSUMOWANIE Strukturę żeliwa ciągliwego białego w strefie przypowierzchniowej tworzy ferryt. Wraz z odległością od powierzchni próbki obserwuje się strefę przejściową, w której obok struktury ferrytycznej występują ziarna perlitu oraz zwarte (prawie ku l- kowe) wydzielenia grafitu. W strefie środkowej stwierdzono występowanie struktury perlitycznej oraz grafitu żarzenia. Strukturę żeliwa ciągliwego białego, typową dla strefy przypowierzchniowej, przejściowej oraz środkowej przedstawiono na Rys. 1. a) powierzchnia próbki b) strefa przejściowa a) surface zone b) interface zone Rys. 1. Mikrostruktury badanego żeliwa (pow. 500x) Fig. 1. Microstructures of the examined cast iron (magn. 500x) c) środek próbki c) core zone Obserwacja przekroju poprzecznego badanej próbki wykazała zróżnicowanie kształtu i wielkości wydzieleń grafitu od drobnych tuż przy powierzchni próbki, mających charakter wydzieleń zwartych (prawie kulkowych) jak na Rys. 2a, po duże wydzielenia typowe dla zwykłego żeliwa ciągliwego (Rys. 2b). W badanym żeliwie prócz wydzieleń grafitu stwierdzono obecność licznych wydzieleń typu MnS dobrze widoc z- nych na Rys. 2a i b. W wyniku odwęglenia powierzchni odlewów dominującą strukturą w tej części próbek stanowi ferryt o twardości na poziomie HV=187. W zależności od odległości od powierzchni odlewów zwiększa się udział ziaren perlitu, a występujące ziarna ferrytu odznaczają się wyższą twardością (HV=194). Twardość perlitu w tej części odlewów wynosiła HV=273. W strefie przejściowej, w której zaobserwowano najmniejszy udział struktury ferrytycznej, twardość ferrytu wynosiła HV=199, natomiast perlitu HV=284,3. W przypadku struktury ferrytycznej wzrost twardości wynika z umocnienia 373

4 roztworu stałego przez atomy węgla. Zmniejszenie szerokości pasm ferrytu w ziarnach perlitycznych wpływa na zwiększenie HV, w części środkowej badanego odlewu twa r- dość osnowy perlitycznej wynosiła HV=319. a) powierzchnia próbki b) środek próbki a) surface zone b) core zone Rys. 2. Kształt wydzieleń grafitu białego żeliwa ciągliwego (pow. 200x) Fig. 2. Precipitationform of graphote of examinated cast iron (magn. 200x) Niejednorodność struktury, charakterystyczna dla tego gatunku żeliwa znalazła odzwierciedlenia również badaniach faktograficznych. W strefie przypowierzchniowej dominuje przełom transkrystaliczny łupliwy ze śladami odkształcenia plastycznego (Rys. 3). Powierzchnia przełomu wykazuje charakterystyczne nieciągłości uskoki, występujące w postaci rzek przecinających często całe ziarno. Rys. 3. Mikrofotografia przełomu próbki rozciąganej, strefa przypowierzchniowa (pow. 300x) Fig. 3. Photos of fracture surface of specimens after tensile tests, surface zone (magn. 300x) Jak podano w [3], występowanie tych nieciągłości oznacza, że pęknięcie następowało w wyniku przeskoku z jednej płaszczyzny na drugą poprzez ścięcie lub wtórne pęknięcie. Ten rodzaj pękania jest wynikiem pojawienia się na drodze pęknięcia niskokątowej granicy dyslokacji. Szerokokątowe granice ziarn [4] stanowią przeszkody na drodze przemieszczania się pęknięcia, generując powstanie nowego systemu rzek i dorzeczy. Z powstaniem uskoków wiąże się zwiększenie energii ab sorbowanej pod- 374

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA czas pęknięcia, co daje w efekcie mniejszą kruchość. W strefie przejściowej, której mikrostruktura składa się zarówno z ziarn ferrytu jak i perlitu, zaobserwowano przełom mieszany (Rys. 4). Rys. 4. Mikrofotografia przełomu próbki rozciąganej, strefa przejściowa (pow 300x) Fig. 4. Photos of fracture surface of specimens after tensile tests, interface zone (magn. 300x) Badania fraktograficzne wykazały, że w strefie przejściowej występują zaró w- no pęknięcia transkrystaliczne łupliwe, jak również pęknięcia ciągliwe. Przełom plastyczny występujący w części środkowej próbek charakteryzuje się strefami wgłębień i wypukłości. Wgłębienia powstają zazwyczaj z istniejących w materiale lub powstających podczas obciążania mikropęknięć, które powiększają się i łączą w wyniku odkształceń plastycznych i plastycznej dekohezji [5]. Rys. 5. Mikrofotografie przełomu próbki rozciąganej, strefa środkowa (pow. 300x) Fig. 5. Photos of fracture surface of specimens after tensile tests, core zone (magn. 300x) Mikropustki tworzą się na granicach wtrąceń z osnową, na granicach wydzieleń lub na skutek zniszczenia tych wtrąceń lub wydzieleń. W przypadku badanego żeliwa mikropustki tworzą się na granicy fazowej ferrytu i cementytu. Większe wgłębienia, które można zaobserwować na Rys. 5 pochodzą od wtrąceń siarczkowych, których obecność ujawniono za pomocą analizy EDS przeprowadzonej na mikroskopie skaningowym. 375

6 Żeliwo ciągliwe z dodatkiem magnezu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie oraz ciągliwością, znacznie przewyższając pod tym względem wartości R m i A 3 odpowiednie dla żeliwa białego, ujęte w normie PN-92/H Właściwościami wytrzymałościowymi dorównuje gatunkom ciągliwego żeliwa perlitycznego odznaczając się przy tym wysokim wydłużeniem. Żeliwo to odznacza się niejednorodną strukturą, od ferrytycznej występującej w warstwie przypowierzchniowej, przez ferrytyczno perlityczną w strefie przejściowej, po strukturę perlityczną, występującą w części środkowej przekroju poprzecznego próbki. Wraz z odległością od warstw powierzchniowych zmienia się ilość węgla rozpuszczonego w ferrycie, jak również szerokość płytek cementytu w strukturze perlitycznej, za czym przemawia fakt wzrastającej mikrotwardości poszczególnych ziaren. Charakterystyczna dla badanego żeliwa jest również niejednorodność kształtu i wielkości dla wydzieleń grafitu. W badanym żeliwie zaobserwowano prócz wydzieleń grafitu żarzenia, również wydzielenia zwarte, prawie kulkowe. W świetle uzyskanych wyników wydaje się być celowe prowadzenie dalszych badań, zmierzających do określenia wpływu zawartości magnezu na ilość wydzieleń grafitu kulkowego w strefie przypowierzchniowej, jak również badań ukierunkowanych na wyjaśnienie przyczyn wzrostu właściwości plastycznych przy zachowaniu stosu n- kowo wysokiej wytrzymałości na rozciąganie. LITERATURA [1] A. Tabor, J.S. Rączka: Odlewnictwo. Wyd. FOTOBIT, Kraków [2] C. Podrzucki: Żeliwo, Wyd. ZG STOP, Kraków [3] A. Maciejny: Kruchość metali, Wyd. Śląsk, Katowice [4] S. Dymski, T. Szykowny: Aspekt zginania udarowego żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5, Nr 17, [5] S. Kocańda: Zmęczeniowe pękanie metali., WNT, Warszawa1985. SUMMARY CHARACTERISTIC OF WHITEHEART MELLEABLE CAST IRON STRUCTURE WITH ADDITION OF MAGNES IUM This work presents structure characteristic of whiteheart mellable cast iron with addition of magnesium. Furthermore in this paper are placed results of hardness mesuarments and results of tensile tests. Complement of those investigations are pictures of received fractures. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 376