- Archives of Foundry Engineering

34/2
Archives of Foundry,
Year 2001, Volume 1, № 1 (2/2)
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
BADANIA STRUKTURALNE ŻELIWA ADI OTRZYMANEGO W
WYNIKU BEZPOŚREDNIEGO HARTOWANIA
IZOTERMICZNEGO Z FORM PIASKOWYCH
1,2)
D. MYSZKA1, M. KACZOROWSKI2
Zakład Odlewnictwa, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska,
ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Polska
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono wyniki badań strukturalnych dotyczących
bezpośredniego hartowania izotermicznego żeliwa sferoidalnego w złożach fluidalnych.
Wykazano, iż w wyniku takiej obróbki cieplnej można otrzymać żeliwo sferoidalne
ausferrytyczne. Badania tak uzyskanego materiału, za pomocą mikroskopii świetlnej,
transmisyjnej i skaningowej mikroskopii elektronowej, ukazują charakter mikrostruktury
zbliżony do obserwowanego w żeliwie po konwencjonalnej obróbce cieplnej.
Keywords: ADI, direct austempering, structural measurements, fluid beds
1. WPROWADZENIE
Żeliwo sferoidalne poddawane hartowaniu izotermicznemu, w wyniku którego
otrzymywane jest żeliwo bainityczne, znane jest już od wielu lat. Ostatnim osiągnięciem
w tym zakresie jest żeliwo ausferrytyczne - ADI (ang. Austempered Ductile Iron).
Materiał uzyskany w ten sposób charakteryzuje się dobrymi jak dla żeliwa
właściwościami. Normy amerykańskie, niemieckie, angielskie czy polskie wykazują, iż
dla gatunków o wytrzymałości na rozciąganie R m=850MPa (i nieco powyżej)
wydłużenie jest większe od 10%. Klasyfikuje się również ten materiał dla R m większego
od 1600MPa.
1
2
mgr inż., [email protected].
prof. dr hab. inż., [email protected]
Przy większej od stali zdolności do tłumienia drgań, mniejszej skłonności do
zacierania się, lepszej skrawalności w stanie surowym, mniejszej skłonności do
odkształceń, tworzywo to jest dobrym materiałem konstrukcyjnym. Są jednak przyczyny,
dla których np. w Polsce, nie spotyka się z należnym zainteresowaniem. Problemem jest
głównie niedoinformowanie konstruktorów w zakresie stosowania ADI oraz dodatkowe
koszty związane z koniecznością prowadzenia obróbki cieplnej. Powoduje to, iż
poszukiwane są nowe, tańsze, lepiej dostępne i ekologiczne metody otrzymywania ADI.
Takie badania to między innymi podjęte w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki
Warszawskiej próby zastąpienia złożami fluidalnymi dotychczasowych ośrodków
hartowania izotermicznego jakimi są kąpiele solne. Rozwinięciem tych badań jest próba
uzyskania żeliwa ausferrytycznego w wyniku „uproszczonej” obróbki cieplnej
polegającej na bezpośrednim hartowaniu izotermicznym w złożu fluidalnym odlewów
wybijanych z form odlewniczych. Jest to aspekt szczególnie ciekawy ze względu na
połączenie zastosowania ekologicznych złóż fluidalnych z bezpośrednią obróbką cieplną
znacznie obniżającą koszty wytwarzania. Aby jednak przekonać się czy zaproponowany
proces będzie umożliwiał otrzymywanie wysokiej jakości materiału należy
przeprowadzić stosowane badania.
Żeliwo ausferrytyczne - ADI swoje doskonałe właściwości zawdzięcza
specyficznej strukturze osnowy żeliwa sferoidalnego, na którą składa się mieszanina
płytkowego ferrytu oraz przesyconego węglem austenitu. Dlatego też, obok badań
właściwości mechanicznych, podjęto wnikliwe badania strukturalne żeliwa
sferoidalnego poddanego bezpośredniemu hartowaniu izotermicznemu.
2. BEZPOŚREDNIE HARTOWANIE IZOTERMICZNE
Metoda uproszczona zakłada uzyskanie struktury i właściwości żeliwa ADI w
wyniku nieco innej niż klasyczna obróbki cieplnej obejmującej następujące etapy (rys.
1):
1. Wybicie odlewów z formy odlewniczej po osiągnięciu przez nie temperatury
w granicach 1000-900C;
2. Chłodzenie odlewów do temperatury wygrzewania izotermicznego w granicach 230400C z szybkością zapewniającą uniknięcie tworzenia się perlitu;
3. Wygrzewanie izotermiczne odlewów przez czas wystarczający do utworzenia
ausferrytycznej struktury osnowy żeliwa sferoidalnego;
4. Chłodzenie odlewów do temperatury otoczenia.
Jak widać (rys.1), wspólnym elementem w przypadku obu sposobów obróbki
cieplnej jest hartowanie izotermiczne. Trudno jednak ocenić, czy przemiany zachodzące
podczas tego procesu w obu wypadkach będą przebiegać tak samo. Dlatego niezbędna
jest przeprowadzenie analizy zjawisk zachodzących podczas krzepnięcia, stygnięcia i
szybkiego chłodzenia odlewu podczas bezpośredniej obróbki cieplnej żeliwa
sferoidalnego.
Rys. 1. Proponowany cykl uproszczonej obróbki cieplnej i porównanie z cyklem
konwencjonalnym; Temperatury: Tz - topienia, To - odlewania,
Ta - austenityzacji, Ti - wygrzewania izotermicznego;
Fig. 1. The simplified heat treatment and correlation with conventional heat treatment;
Temperatures: Tz - melt, To - pooring, Ta - austenitization,
Ti - isothermal heating.
Bezpośrednia obróbka cieplna zakłada, iż odlew zaraz po zakrzepnięciu i
osiągnięciu temperatury 1000-900C będzie poddany szybkiemu chłodzeniu do
temperatury wygrzewania izotermicznego. W takim przypadku mamy do czynienia z
hartowaniem izotermicznym osnowy żeliwa sferoidalnego składającej się austenitu nie
zrekrystalizowanego [1]. Będzie on miał strukturę składającą się z dendrytów austenitu
pierwotnego i ziaren eutektycznych o budowie globularnej. Osnowa żeliwa o takiej
mikrostrukturze może charakteryzować się większą mikrosegregacją pierwiastków
stopowych, co będzie wskazywać na zróżnicowany charakter przemiany bainitycznej
(ausferrytycznej) oraz może być powodem do powstania gruboziarnistej struktury
ausferrytycznej.
3. BADANIA MIKROSKOPOWE
Do badań mikrostruktury wytypowano po 1 próbce z czterech wariantów
bezpośredniej obróbki cieplnej oraz poddano je starannym obserwacjom za pomocą
mikroskopu świetlnego OLYMPUS IX70, mikroskopu elektronowego skaningowego
HITACHI 3500N i transmisyjnego Philips EM300. Wytypowane warianty to:
bezpośrednie hartowanie izotermiczne w temperaturze T1=300C i T2=350C przez czas
wygrzewania izotermicznego t1=40min. i t2=90min. Badania przeprowadzono na
próbkach walcowych o średnicy 12mm z żeliwa sferoidalnego gatunku 500 07 z
dodatkiem 0,8%Cu odlewanych do form piaskowych. Hartowanie izotermiczne
wykonano w złożu fluidalnym, w którym materiałem ziarnistym był SiC.
3.1. Mikroskopia świetlna
Na rys. 2a pokazano mikrostrukturę żeliwa sferoidalnego po bezpośrednim
hartowaniu izotermicznym, w której ujawniła się wyraźna budowa dendrytyczna o
preferowanej orientacji w kierunku środka próbki walcowej. Badania mikrostruktury
wykazały, iż w części centralnej kilku próbek pojawiały się drobne zabielenia otoczone
perlitem (rys. 2b). Jakkolwiek nie przeprowadzono szczegółowych badań w tym zakresie
to jednak można oczekiwać, że są one wynikiem tzw. „wtórnego” przechłodzenia [2].
a)
b)
Rys. 2. a) Struktura dendrytyczna żeliwa sferoidalnego;b) Zabielenia w części centralnej
próbki.
Fig. 2. a) Dendritic mikrostructure of ductile iron;b) „White” structure in the middle of sample.
a)
b)
Rys. 3. a) Bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=300C, t=90min.; b) Bezpośrednie
hartowanie izotermiczne T=350C, t=90min.
Fig. 3. a) Direct austempering T=300C, t=90min.; b) Direct austempering T=350C, t=90min.
Wszystkie z badanych próbek wykazały charakterystyczną dla ADI strukturę płytkową.
Zauważono, iż zmienia się ona od drobnoziarnistej dla niższej temperatury hartowania
np. 275, 300C, do gruboziarnistej o rozgałęzionych płytkach ferrytu dla temperatury
wyższej (rys. 3a,b). Jest to sytuacja podobna do klasycznej obróbki cieplnej dla żeliwa
ausferrytycznego. Zauważalny jest również zmniejszający się wraz ze wzrostem
temperatury hartowania izotermicznego udział płytkowego ferrytu do otaczającego go
austenitu. Zwiększanie zawartości austenitu w strukturze ADI sugeruje zwiększanie
właściwości plastycznych tego materiału.
3.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa SEM
Dla wszystkich wybranych wariantów uproszczonej obróbki cieplnej
przeprowadzono badania w SEM (ang. Scanning Electron Microscope), dzięki którym
uzyskano informacje o charakterze pękania uzyskanego materiału. Charakterystyczne
zdjęcia przełomów przedstawiono na rys. 4a,b. Dla celów porównawczych dokonano
również obserwacji powierzchni próbek z żeliwa sferoidalnego bez obróbki cieplnej, dla
których stwierdzono wyraźnie łupliwy, transkrystaliczny charakter pękania.
Morfologia powierzchni próbek po uproszczonej obróbce cieplnej wyraźnie
wskazuje na pękanie transkrystaliczne. Widoczne kratery są oznaką plastyczności
badanego materiału. Niezbyt duże ich głębokości świadczą jednak o ograniczeniach tej
właśnie cechy. Należy również zaznaczyć, iż dla wszystkich przypadków charakter
pękania jest wyraźnie inny od łupliwego przełomu dla próbek wyjściowych.
a)
b)
Rys. 4. a) Fot. SEM x1000, bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=300C, t=40min. b) Fot.
SEM x1500, bezpośrednie hartowanie izotermiczne T=350C, t=90min.
Rys. 4. a) Fot. SEM x1000, direct austempering T=300C, t=40min. b) Fot. SEM x1500, direct
austempering T=350C, t=90min.
3.3. Transmisyjna mikroskopia elektronowa TEM
Obserwacje w TEM (ang. Transmission Electron Microscope) umożliwiły
jednoznaczna identyfikację poszczególnych faz w obserwowanych wcześniej
strukturach. Analiza dyfraktogramów wykazała, iż osnowa otrzymanego żeliwa
sferoidalnego składa się z mieszaniny silnie umocnionego odkształceniowo ferrytu oraz
austenitu. Przykłady zdjęć TEM pokazano na rys. 5 a,b.
a)
b)
Rys. 5. x43000; a) ferryt i austenit, T=300C, t=90min., b) ferryt i austenit, T=350C,
t=90min.
Fig. 5. x43000; a) ferryt and austenit, T=300C, t=90min., b) ferryt and austenit, T=350C,
t=90min.
Dla przypadku hartowania w temperaturze 300C i wygrzewania izotermicznego przez
40min. nieoczekiwanie stwierdzono obecność węglików. Sugeruje to, iż dla tej
temperatury czas 40min. jest wystarczający do rozpoczęcia przemiany osnowy
ausferrytycznej w bainit albo, że w tym wypadku szybkość chłodzenia była nieco za
mała i przynajmniej częściowo austenit uległ przemianie w perlit.
4. DYSKUSJA
Jednoznacznie stwierdzono, iż otrzymany materiał jest żeliwem sferoidalnym,
którego osnowę stanowi mieszanina iglastego ferrytu i austenitu. Charakter tej struktury
wyraźnie zmienia się wraz ze zmianą parametrów bezpośredniego hartowania
izotermicznego, czyli temperaturą i czasem hartowania. Zmiany te dotyczą szczególnie
powstawania osnowy gruboiglastej w niższej temperaturze hartowania (300C) i
drobnoiglastej w wyższej temperaturze (350C). Taka mikrostruktura jest cechą
charakterystyczną dla żeliwa ausferrytycznego otrzymywanego na drodze klasycznej
obróbki cieplnej. Bezpośrednio z nią wiążą się naturalnie właściwości tego materiału.
Czy w związku z tym bezpośrednie hartowanie izotermiczne żeliwa sferoidalnego
umożliwiło uzyskanie ADI o właściwościach porównywalnych z tworzywem
otrzymywanym na drodze konwencjonalnej obróbki cieplnej?
Z przeprowadzonych badań strukturalnych żeliwa po bezpośredniej obróbce
cieplnej wynika, że powstająca struktura ausferrytycznej osnowy powinna zapewniać
odpowiednie cechy materiału. Jakkolwiek pominięcie przemiany perlitycznej oraz
ponownej przemiany perlitu w austenit podczas austenityzacji poprzedzającej
hartowanie, charakterystycznych dla klasycznego procesu, może decydować o nieco
innych właściwościach. Wspomniane przemiany zapewniają przede wszystkim dość
znaczne ujednorodnienie składu chemicznego na przekroju ziaren oraz ich
rozdrobnienie. W proponowanym procesie etap ten jest pomijany. Mamy więc tu do
czynienia ze strukturą gruboziarnistej osnowy nie poddaną ujednorodnieniu. Ważna jest
jednak również znaczna szybkość chłodzenia żeliwa zaraz po zakończonym procesie
krystalizacji. Powoduje ona „zamrożenie” niejednorodności składu na przekroju ziaren
uniemożliwiających dyfuzję pierwiastków, a tym samym również, kończąc dalszy wzrost
kulek grafitu kosztem zubażania w węgiel otaczającej go osnowy. Jest to sytuacja, dzięki
której uzyskujemy mniejszy, niż w przypadku zwykłych odlewów z żeliwa
sferoidalnego, stopień mikrosegregacji oraz znaczną ilość drobnych, kulkowych
wydzieleń grafitu. W przypadku bezpośredniego hartowania należy również zwrócić
uwagę na różnicę temperatury pomiędzy wnętrzem i częścią zewnętrzną odlewu. Nie
występuje ona dla odlewów poddawanych standardowo austenityzacji i klasycznemu
hartowaniu objętościowemu. Oznacza to, iż podczas bezpośredniego hartowania gradient
temperatury na przekroju odlewu będzie większy niż podczas konwencjonalnej obróbki
cieplnej. Większy gradient temperatury to większe naprężenia, które z chwilą
przekroczenia naprężenia uplastyczniającego powodują utworzenie nowych i migrację
dyslokacji. Zależnie od temperatury hartowania izotermicznego, dyslokacje ulegające
przegrupowaniu tworząc mniej lub bardziej wykształconą strukturę komórkową, dzielą
ziarna na podziarna. Im większe naprężenia tym większa gęstość dyslokacji a tym samym
większe umocnienie odkształceniowe.
Podsumowując powyższe rozważania należy stwierdzić, iż trudno
jednoznacznie zdecydować o właściwościach uzyskanego w wyniku bezpośredniego
hartowania izotermicznego materiału, mimo że badania wykazują, iż charakter struktury
takiego materiału jest podobny do tego jaki otrzymuje się dla żeliwa sferoidalnego
hartowanego konwencjonalnie z przemianą izotermiczną. Stwierdzono obecność ferrytu,
którego iglasty kształt zmieniał się w „pierzasty” i bardziej rozdrobniony w miarę
podwyższania temperatur hartowania izotermicznego. Wraz ze wzrostem tej temperatury
zwiększał się również
w strukturze ausferrtycznej udział austenitu, odpowiedzialnego za plastyczność ADI.
Powyższe spostrzeżenia są analogiczne do poczynionych dla żeliwa poddanego
klasycznemu hartowaniu izotermicznemu. Sądzić zatem należy, że jakkolwiek
właściwości żeliwa ADI hartowanego bezpośrednio są nieco gorsze niż hartowanego
konwencjonalnie, to jednak ten sposób obróbki cieplnej rokuje nadzieje wart jest
bliższego poznania.
LITERATURA
[1]J. Massone, R. Boeri, J. Sikora: Production of hot shake out - microstructure and
mechanical properties. Int. J. Cast Metals Res., 1999, t. 11, s. 419;
[2]S.J. Karsay: Ductile Iron I Production. QIT, USA (1992)
[3]D. Myszka, M. Kaczorowski: Bezpośrednie hartowanie izotermiczne żeliwa
sferoidalnego z form piaskowych. ACTA Metallurgica Slovaca, Podbanskie (2001).
STRUCTURAL RESEARCH OF DIRECT AUSTEMPERED DUCTILE IRONS
OBTAIN IN SAND MOULDS
SUMMARY
The results of microstructural investigations of ductile iron castings directly
quenched from the green sand moulds are presented. The light microscopy as well as
SEM and TEM observations was used for studying of the microstructure of the casting
isothermally quenched in SiC fluid bed. The discussion of this microstructure with that
obtained by conventional heat treatment was done.
Recenzował Prof. Edward Guzik