Pobierz

22/12
Solidiłication
of Metais :md Alloys, No 22, 1995
Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 22, 1995
PAN - Oddział Katowice
PL ISSN 0208-9386
POZYTYWNA ROLA BIZMUTU W TECHNOLOGII
ŻELIWA Z GRAFITEMZWARTYM I KULKOWYM
WARC HALA TADEUSZ
Katedra Odlewnictwa, Politechnika Częstochowska
42-201 Częstochowa, Al. Armii Krajowej 19, POLAND
ABSTRAKT
W pracy przedstawiono wyniki badań żeliwa nadeutektycznego, modyfikowanego miem.in. bizmut i metale ziem rzadkich (około 22% Ce). Stwierdzono zmianę
postaci grafitu z płatkowego na wermikulamy (zwarty) i kulkowy . Malała wielkość i ilość
wydzieleń grafitu. Nastąpił kilkakrotny wzrost Rm (z około 80 MPa do 500 MPa) oraz
dwukrotny wzrost HB (ze 100 do 250 jednostek). Sam dodatek metali ziem rzadkich nie
powodował znaczących zmian badanych cech żeliwa wyjściowego .
szankązawierającą
l. WPROW ADZENIE
W technologii żeliwa sferoidalnego śladowe ilości ołowiu (>0,002%), bizmutu (>0,00 l%),
antymonu (>0,002%) czy tytanu (>0,05%) są wysoce szkodliwe i muszą być neutralizowane
dodatkiem ceru [1) . Według [2], śladowe ilości bizmutu wpływają m.in. na radykalne obniżenie udziału grafitu kulkowego, powodując jednocześnie pojawienie się dużej ilości drobnego grafitu płatkowego. Z drugiej jednak strony znane są również fakty pozytywnego
wpływu niewielkich dodatków Bi w modyfikatorze grafityzującym na zwiększenie ilości
wydzieleń grafitu kulkowego w żeliwie sferoidyzowanym magnezem [3) . Stwierdza się
również wydłużenie czasu trwania efektów modyfikacji [3), [4). Pozytywne spojrzenie na
wspomniane pierwiastki śladowe widać w publikacjach dotyczących technologii żeliwa wermikulamego. W pracy [5] wymienia się sposoby wytwarzania żeliwa z grafitem wermikularnym drogą wprowadzania sferoidyzatora (magnez) oraz clesferoidyzatorów (Ti, Al, Sn, Sb,
Bi, Zn).
Z cytowanej literatury wynika, że odpowiednio wprowadzone do żeliwa bizmut i cer
izolują grafit od roztworu ciekłego , gdzie zazwyczaj tworzą się zdegenerowane jego postacie
(z płatkowym włącznie) oraz stwarzają warunki sprzyjające heterogenicznemu zarodkowaniu
grafitu w dłuższym okresie czasu (wydłużenie czasu trwania efektów modyfikacji). Można by
zatem przypuszczać, że przy wprowadzeniu stosownych ilości obu pierwiastków istnieje szan-
10 1
sa krystalizacji zwartych postaci grafitu . Innym uogóln ieniem, rodzącym s ię na podstawie
analizy przytoczonych publikacji, może być stwierdzenie, że efekty ws p ółdziałań pierwiastków o przeciwnych kierunkach wpływu na zarodkowanie i wzrost grafitu (np. współdziałanie
sferoidyzatorów i desferoidyzatorów) mogą być bardziej i nteresujące i cenne od ich wpływów
prostych. Na tym tle sformułowano hipotezę roboczą, że Bi, j eden z najsilniejszych desferoidyzatorów, wprowadzony do żeliwa wraz z pierwiastkami metali ziem rzadkich (główni e
z Ce) utrudnia krystalizację grafitu płatkowego na rzecz grafitu wennikulamego i kulkowego
[6] .
2. BADANTA
WŁASNE
2.1. Warunki i przebieg badań
Żeliwo wyjściowe (CE=4,1-4,4% przy S<0,02%) wytapiano w piecu indukcyjnym śred­
niej częstotliwości, o pojemności tygla 50 kg Wsad stanowiła surówka przeróbcza gatunku
Plll, złom stalowy i Si75. Przegrzane do temperatury 1470°C żeliwo modyfikowano mieszanką dwóch że lazostopów, z których jeden zawierał około l% B i, a drugi MZR (w tym około 22% Ce) Modyfikatory wprowadzono metodą Imconod. Całość badań zrealizowano metodą plan owania doświadczeń, w oparciu o analizę czynnikową (stosowano plan typu 2"2) [7].
Jako zmienne niezależne (czynniki) przyjęto:
X l - rozchód modyfikatora z B i - poziom niższy= 0,3%, poziom wyższy= 0,6%,
X2 - rozchód modyfikatora z Ce - poziom niższy= 0,0%, poziom wyższy= O, 16%.
Czynniki stałe:
-masa modyfikowanego żeliwa- lO kg (dozowanie objętościowe),
- wielkość ziarna modyfikatora- 2 - 5 mm,
-temperatura przegrzania- 1470 ± 20° C.
Odlewano następujące próby:
- po jednym próbniku ATO-l O,
- po 3 wlewki próbne 0 30mm x 300mm,
-próbki na skład chemiczny.
Prócz ujętych planem odlano po dwa komplety prób z żeliwa modyfikowanego tylko dodatkiem 16 g żelazostopu z Ce oraz po kilka kompletów prób że l iwa wyj śc iowego. Badano
następujące parametry:
- tem peratury krzepnięcia (ATO),
- właściwości mechaniczne: Rm i HBS,
-charakterystyki grafitu: udział (G w%), wie lkość (Gw w 11m), ilość (N w szt/mm 2), postać
(Gt), rozmieszczenie (Gr) oraz udz i ał ferrytu (Fe w %).
Badania ilościowe grafitu i ferrytu wykonano przy pomocy mikroskopu liczącego
MAGISCAN . Wytrzy małość na rozciągan ie badano maszyną wytrzymałościową typu ZWICK
1488, sterowaną komputerowo.
2.2. Wyniki badań
Rezultaty A TO oraz
Rm
i HBS przepstawiono w Tabeli l. Symbol T p oznacza maksyCrystaldigraph PC/XT.
informacje o stanie żeliwa odlanego do próbnika ATD-10. Zauważa się
malną temperaturę początkowa żeliwa, zarejestrowaną przez aparaturę
Uwagi
zawierają
102
minimalne przechłodzenie przemiany eutektycznej w stosunku do
równowagowych. Cechy grafitu oraz udział ferrytu zawarto w Tabeli 2.
Wyniki badań opracowano zgodnie z procedurami metody planowania
czynnikowych. Efektem tego są adekwatne modele matematyczne parametrów
uwzględn iające tylko istotne współczynniki regresji (poziom istotności a=0,05).
Tabela l
WfYil_lik.ATD
oraz Rm l· HBs
l
Numer
Tp
TSM
oc
oc
próby
201
1317
1151
202
1324
1136
203
1265
1148
1144
204
1310
205
1330
1152
206
1239
1148
207
1312
1149
208
1331
1150
209
1316
1145
210
1243
1149
211
1301
1152
212
1281
1147
213
1233
1154
214
1218
1154
l Probk1 porowate.
TS
o
c
1153
1137
1150
1145
ll62
1149
1150
1151
1145
1149
1152
1148
1154
1154
Rm
MPa
87
Uwagi
HBS
jedn. o modyfikacji
129 30 g Bi i O g Ce
566
487
85
115
77
77
483
449
89
107
108
126
270
225
109
138
103
100
250
216
116
133
133
136
.,
.,
warunków
doświadczeń
ilościowych,
Nie stwier-
żeliwo wyjściowe
60 g Bi i 16 g Ce
30 g Bi i 16 g Ce
żeliwo wyjściowe
60gB i i O g Ce
30gB i i O g Ce
żeliwo wyjściowe
60gBi il6gCe
30 g Bi i 16 g Ce
żeliwo wyjściowe
60gBi i OgCe
OgBi i l6gCe
OgBi i 16 gCe
Tabela 2
Charakterystyki grafitu i osnowy
Numer Udział Wieikoś
Postać
Uwagi
Ilość
Rozmiesz- Udział
próby
%
ferrytu,% o modyfikacji
llmm 2
czente
J..( m
Gr2
30 g Bi i 16 g Ce
201
10,3
245,7
1,2
1307 Gf11Gf2
•t
żeliwo wyjściowe
Gr6
58,8
202
Gf2
60 g Bi i 16 g Ce
203
8,4
61,4
874 Gf81Gf5
85,0
Gr2
30 g Bi i 16 g Ce
6,9
57,7
80,0
204
944 Gf81Gf5
Gr2
żeliwo wyjściowe
77,0
8,5
143,0
205
1967 Gf11Gf2
Gr2
60gB i i O g Ce
206
9,6
143,0
2383
Gf2
Gr2
76,8
30 gBi i O gCe
207
14,1
278,2
49,7
1186
Gf2
Gr2
żeliwo wyjściowe
210,3
69,7
208
10,3
1544 Gf11Gf2
Gr11Gr2
7,4
86,0
60g8ii16gCe
209
49,1
1499 Gf81Gf5
Gr l
30 g Bi i 16 g Ce
210
8,6
57,7
1161 Gf7/Gf5
Gr1
82,7
żel iwo wyjściowe
68,5
204,5
Gr1
211
9,9
2079 Gf21Gf3
60 gBi i O gCe
172,6
Grl
80,1
212
10,7
1785 Gf11Gf2
74,3
O g Bi i 16 gCe
9,7
127,3
Gr!
213
2781 Gf11Gf4
O g Bi i 16g Ce
214
Gr!
70 9
8,8
112,3
3087 Gf21Gfl
l Duża Ilość bardzo drobnego grafitu, trudna do pohczema przy stosowanym powtększemu .
103
dzono
istotności wpływu
zostałych
badanych czynników na temperatury TSM oraz TS. Modele poparametrów przedstawiają się następująco (postać zakodowana):
T p = 1285,2- l O, 12x, + 17, 12x ,xz
(S 2y=39,96; ób;=8,12)
(l)
G = 9,47- 1,675xz
(S\=0,927; ób;=270,35)
(2)
Gw = 135 ,4 - 74,45xz
(S 2y=866,88; ób;=43,49)
(3)
(S 2y=49154,83; ób;=270,35)
(4)
Fe = 67,67 1- l4,27x, +- 15,73x2 - 12,73x 1x 2
(S 2y=55,73; ób;=9,10)
(5)
R111
(S\=1 46,29; ób;=l4,25)
(6)
(S \ =216,31 ; ób;=l7,34)
(7)
N "' 1392 ··
=
273 , 0x:~
296,2 + 21,35x, + 199,5xz
HBS = 183 ,O i 57 ,25x 2
Zmiany Tp są naturalnym skutki em m.in .strat c iepła przez żeliwo podczas rozpuszczania
modyfikatorów. Silniejszy akcent czynnika X 1 wynika z konieczności stosowania większych
jego porcj i ni ż modyfikatora drugiego (czynnik X 2).
Ud z iał grafitu oraz wielkości i ilości jego wydzieleń, w obecności bizmutu maleją z
rozchodem modyfikatora zawierającego cer. Jest to naturalny skutek zmian postaci i rozmieszczenia grafitu : grafit zwarty odznacza się mniejszymi wymiarami niż grafit płatkowy
oraz mniejszą ilością wydzieleń obserwowanych na zgładzie próbki. Są to zatem oczywiste
prawidłowości , znajdujące odbicie w modelach (2), (3) i (4).
Badania udziału ferrytu świadczą, iż osnowa wytworzonego żeliwa była perlitycznoferrytyczna. Udział ferrytu (5) wzrastał z dodatkiem obu składników (Bi i Ce) użytych modyfikatorów z poziomu 40% do ponad 80%.
Radykalne zmiany charakterystyk grafitu zaowocowały bardzo korzystnymi cechami
wytrzytrzmałościowymi żeliwa: Rm (6) i HBS (7).
Wprawdzie w większości modeli nie stwierdzono istotności wpływu dodatku bizmutu
(czynniki X,), tym niemniej należy zdawać sobie sprawę z faktu, iż ten pierwiastek
wprowadzano w każdej próbie (30 g lub 60 g - zależnie od planu doświadczeń), za wyjątkiem
żeliwa wyjściowego. Że jego obecność była nieodzowna świadczą próby, w których dodawano tylko modyfikator zawierający MZR (próby 213 i 214) . Nie imponują one poziomem
badanych cech żeliwa, podobnie jak w przypadku wprowadzania tylko modyfikatora z bizmutem (próby 201, 206, 207 i 212). Zmiany te, w porównaniu z żeliwem wyjściowym, uwypukla Rysunek l. Liczby wzdłuż linii odniesienia (100%) podają wartości bezwzględne
poszczególnych parametrów. Obszary kropkowane oznaczają żeliwo modyfikowane dodatkami Bi i MZR (Ce), nie kropkowane- modyfikowane tylko dodatkiem MZR ( Ce). Linia
pozioma na wysokości l 00% odpowiada cechom żeliwa wyjściowego.
W zakończeniu wypada dodać , że okolicznością sprzyjającą była mała zawartość siarki
(poniżej 0,02%), nie wymagająca odsiarczania żeliwa .
2.3. Podsumowanie i wnioski końcowe
Badania potwierdziły hipotezę roboczą, zakładającą, że dodatek bizmutu, wprowadzony do
żeliwa wraz z metalami ziem rzadkich (głównie z Ce) utrudnia krystalizację grafitu
%L______ ____ _____ ___
620~------------------------------------------------~
c=J __ _____ >=l
, - - · - -·- - · - -· -- - - - - · - - - · - - · - - ·
--- · --·--·-"
,..--
220
200
180
Q)
160
r---
c::
"'4>'
140
--
O l)
N
i:!:
120
;...
c::
e0:1
N
100
80
~ 9,6
185,9
K7·8F-
60,6
1863 29 3 4
l l 9 f--
Ił
19
~68,7
5 17
140 r - - 240
83 , 5
108
R=
-
l
1---
_r--
60
l
40
-
20
l
l l
B i + MZR
o
G, %
G w , J.lm
N,1/mm 2
Cechy
Rys. l . Zmiany
względne
cech badanego
l
modyfikacja
Fe,%
ż el iwa
żeliwa
Fig.!. Relative changes in the features o f the cast iron examined
l
l
l
MZR
Rm, MPa
HBS
.,.
o
105
płatkowego, sprzyjając
wydzielaniu się grafitu zwartego i kulkowego. Porównanie z żeliwem
ujawnia olbrzymie różnice ilościowo-jakościowe w stukturze, co też uzewnętrzniło się we właściwościach mechanicznych żeliwa. Wszystko to spowodowały minimalne ilości obu pierwiastków. Przyjmując, że 60 g żelazostopu · z Bi wprowadzało
(nominalnie) 0,6 g Bi do l 0000 g żeliwa, to nawet przy stuprocentowym uzysku można było
oczekiwać w nim tylko 0,006% B i. Jest to ilość z obszaru śladowego, powodująca normalnie
desferoidyzację grafitu. Analogiczny rachunek dla maksymalnej dawki modyfikatora z cerem
daje 3,52 g Ce w 10000 g żeliwa, tzn. 0,0352 % Ce. Ilość ta nie jest mała, ale tylko nominalnie, gdyż także nie uwzględnia rzeczywistego uzysku pierwiastka, bardzo aktywnego chemicznie. Każdy z omawianych pierwiastków, wprowadzony samodzielnie, nie powodował
znaczących zmian w strukturze tak, jak czyniło to dopiero ich wspólne działanie w mieszance.
Podsumowując można stwierdzić, że jednoczesny dodatek niewielkich ilości bizmutu
i cen1 do żeliwa szarego poza piecem powoduje:
- zmianę postaci grafitu z płatkowej na zwaratą i k'Ulkową,
- zmniejszenie udziału grafitu w strukturze,
- zmniejszenie wielkości i ilości wydzieleń grafitu,
- kilkukrotny wzrost wytrzymałości na rozciąganie,
- umiarkowany wzrost twardości Brinella.
wyjściowym
LITERATURA
(I] Praca zbiorowa: Wysokokaczestwiennyje czuguny dla otliwok. Maszgiz, Moskwa 1982.
[2] I.Riposan, I.Craciun: Wirkung von Blei und Wismut auf die Magnesiumbehandlung von
Gupeisen in der Pfane und in der GiePform. Giesserei-Praxis 1980, nr 8 s. 99-105.
[3] F. Lietaert i in.: Development of more Powerful fnoculants for Spheroidal Graphite lrons.
49th International Foundry Congress. Chicago April 14-17, 1982, Paper No 12.
[4] J.W. Bulajewskij i in.: Marlifikator dla wysokoprocznogo czuguna, soderżaszczyj wismut
i RZM. Lit. Proizw. 1991, nr 9, s.8-9.
[S] l. Riposan i in.: Achivements in the Production of Modyfmg Alloys and Vermicular/Compacted Graphite Cast Iron in Romania. 53rd World Foundry Congress. Prague 7-17
Semptembre 1986, Paper No 24.
(6] T Warchata i in.: Sprawozdanie K0-2/94. Katedra Odlewnictwa, Politechnika Często­
chowska, Częstochowa 1994 (praca nie publikowana).
l7J F.S. Nowik, J.B . Arsow: Optimizacija procesow tiechnołogii mietałow metodami planirowanija eksperimentow. Maszinostrojenije Moskwa 1980.
POSITIVE ROLE OF BISMUTH IN TECHNOLOGY OF CAST
IRON WITH COMPACT AND NODULAR GRAPHIT
In this paper, results of the studies o f hypereutectoid cast iron as modified with a mixture
containing, among other elements, bismuth and rare eaiths metais have been presented. A
change in form of flake graphite into vermicular and nodular graphite has been found. A rise
Rrn by several times (from 80 MPa to 500 MPa) and in HB by over two times (from 100 to
250 units) has been noted. The addition of rare earths metais alone did not zause any significant changes in the studied features ofthe initial cast iron.