Wielkość izolowanych wydzieleń grafitu w żeliwie modyfikowanym

Archives of Foundry,
Year 2004, Volume 4, № 14
Archiwum O dlewnictwa,
Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
61/14
WIELKOŚĆ WYDZIELEŃ GRAFITU IZOLOWANEGO
W ŻELIWIE MODYFIKOWANYM DODATKAMI
ZAWIERAJĄCYMI BIZMUT ORAZ CER
M.S. SOIŃSKI1 , T. WARCHALA 2
Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej,
Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono dane dotyczące wielkości wydzieleń grafitu izolowanego
w żeliwie nadeutektycznym, modyfikowanym dodatkami zawierającymi bizmut oraz
cer. Jako miarę wielkości wydzieleń przyjęto średnią średnicę wydzieleń izolowanych,
będącą ilorazem obwodu wydzieleń i ich liczby. Stwierdzono niezbyt silny, ale istotny,
dodatni wpływ bizmutu oraz znacznie silniejszy, złożony wpływ ceru. Średnia wielkość
wydzieleń izolowanych grafitu w badanym żeliwie zmieniała się w przedziale od 8 m
do 20 m.
Key words: cast iron, modyfication, bismuth, cerium, compact graphit precipitates
1. WPROWADZENIE
Modyfikacja żeliwa nadeutektycznego, jednocześnie wprowadzanymi dodatkami
zawierającymi bizmut oraz cer, powoduje wyraźną zmianę jego rodzaju. Przejawia się
to w radykalnej zmianie postaci wydzieleń grafitu z płatkowej (kształt I) w zwartą
(kształt V z udziałem III i VI), przy czym udział wydzieleń o wskaźniku kształtu 0,03
przekracza 80% ( = A/P2 , gdzie A – powierzchnia wydzielenia, P – obwód
wydzielenia) [1]. Wytrzymałość na rozciąganie takiego żeliwa przekracza 400 MPa
(R0,2 > 300 MPa), przy wydłużeniu A 5 > 5% oraz HB < 170 jednostek [2].
Bardziej szczegółowe badania mikrostruktury omawianego żeliwa [3] wykazały
znaczące zmiany także innych jej cech. Po modyfikacji zmalały (średnio): udział
powierzchni zajętej przez grafit z poziomu 17% o około 23%, obwód wydzieleń grafitu
1
2
dr hab. inż., prof. ndzw. PCz
doc. dr inż.
457
z poziomu 104 mm/mm2 o około 65% oraz liczba jego wydzieleń z 1050 szt/ mm2 o
około 70%. Osnowa metalowa z perlitycznej przeszła w ferrytyczno -perlityczną –
udział ferrytu przekraczał 70%. Z analizy rezultatów badań wynika, że optymalna
zawartość bizmutu mieści się w obszarze od 0,0008% do 0,0010%, natomiast zawartość
ceru powinna zapewnić utrzymanie stosunku Ce/Bi w granicach 30 do 45. Okazało się
również, iż użycie we wsadzie wyłącznie złomu tego żeliwa nie powoduje wyraźnych
zmian kształtu grafitu oraz właściwości mechanicznych omawianego żeliwa [4].
2. BADANIA WŁASNE
W dotychczasowych badaniach nie analizowano ilościowo zmian w zakresie
wielkości wydzieleń grafitu. Powstające w stanie ciekłym i podczas krzepnięcia,
rosnące zarówno wówczas jak i w czasie przemian w stanie stałym, wydzielenia grafitu
osiągają różną wielkość. Jest to zatem cecha o charakterze statystycznym i w związku z
tym należy ją rozpatrywać tylko w takim aspekcie.
Ponieważ w omawianym żeliwie wydzielenia grafitu występują głównie w postaci
izolowanej, postanowiono określić ich średnią wielkość. W tym celu posłużono się
następującą zależnością [5]:
d
LA
N A
gdzie:  d - średnia średnica wydzieleń izolowanych, mm,
LA - średni obwód wydzieleń izolowanych, mm/mm2 ,
NA – średnia liczba wydzieleń izolowanych, szt/mm2 .
Pomiary wydzieleń grafitu wykonywano w 25 polach obserwacji, przy
powiększeniu 200x, na komputerowym analizatorze obrazu Quantimet 570 Color.
Wyniki badań, po „odfiltrowaniu” wydzieleń o powierzchni do 10 m2 , ujęto w
podziale na 8 klas wskaźnika kształtu : od 0,01 do 0,08. Średnią wielkość wydzielenia
izolowanego obliczano z LA i NA , odnotowanych w klasach  od (tzn. 0,03 do 0,08).
Na podstawie metodyki zastosowanej w pracy [6], ustalono następującą zależność
między średnią wielkością wydzielenia grafitu izolowanego, a zużyciem modyfikatorów
z bizmutem oraz cerem i zawartością krzemu w żeliwie wyjściowym:
d=227,56+6,73X1 +156,9X2 -213,84X3 -222,31X2 2 +47,51X3 2 ,
gdzie: X1 - zużycie modyfikatora z bizmutem, w %,
X2 - zużycie modyfikatora z cerem, w %,
X3 - zawartość krzemu w żeliwie wyjściowym, w %.
458
Przyjmując stały poziom zawartości krzemu w żeliwie wyjściowym Si = 2,5%,
wpływ zużycia modyfikatorów z bizmutem oraz cerem na średnią wielkość wydzieleń
izolowanych grafitu przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Wpływ zużycia modyfikatorów na średnią wielkość wydzieleń grafitu
izolowanego
Fig. 1. The influence of inoculant expenditure on the average size of the isolated
graphite precipitates
W tabeli 1 zestawiono dane dotyczące końcowego składu chemicznego i wybranych
cech struktury badanego żeliwa, uzupełnione o dodatkowe pomiary. Na ich podstawie
dokonano analizy korelacji międzyparametrowej, której wyniki podano w tabeli 2.
Średnia wielkość wydzieleń grafitu izolowanego wykazała stosunkowo szeroki zakres
skorelowania z innymi parametrami, poza zawartością węgla oraz liczbą wydzieleń
grafitu. Wartość bezwzględna współczynnika korelacji z tym ostat nim parametrem
(r= -0,371) jest jednak stosunkowo bliska wartości krytycznej (0,414). Dodatnie
oddziaływanie krzemu wynika ze sprzyjania osiąganiu większych wydzieleń grafitu w
miarę wzrostu równoważnika węglowego CE żeliwa.
Ujemna wartość współczynnika korelacji dla d i Bi jest naturalnym skutkiem
obecności tego pierwiastka w żeliwie, powodującym rozdrabnianie wydzieleń grafitu.
459
Tabela 1. Skład chemiczny żeliwa i wybrane cechy jego struktury
Table 1. Chemical composition of cast iron and its selected structure properties
Zawartość w %
C
Si
Bi
Ce
1
3,70
2,52
0,0012 0,023
2
3,62
2,40
0,0010 0,022
3
3,54
2,63
0,0011 0,026
4
3,42
2,56
0,0013 0,024
5
3,30
2,77
0,0010 0,030
6
3,88
2,16
0,0012 0,022
7
3,65
2,30
0,0010 0,028
8
3,73
2,48
0,0006 0,033
9
3,73
2,81
0,0010 0,043
10
3,68
2,58
0,0011 0,016
11
3,70
2,81
0,0007 0,021
12
3,63
2,82
0,0009 0,020
13
3,69
2,84
0,0009 0,015
14
3,48
2,93
0,0008 0,024
15
3,64
2,20
0,0016 0,012
16
3,62
2,09
0,0007 0,022
17
3,72
2,47
0,0010 0,019
18
3,67
2,40
0,0013 0,011
19
3,60
2,78
0,0008 0.040
20
3,65
2,13
0,0016 0,010
21
3,74
2,34
0,0012 0,030
22
3,83
2,15
0,0014 0,016
23
3,74
2,36
0,0008 0,015
1)
3,65
2,50
0,0010 0,0227
X
S2)
0,126 0,262 0,0003 0,0085
Mn<0,08%; P<0,04%; S<0,012%
1)
Średnia arytmetyczna
2)
Odchylenie standardowe
Nr
dośw.
Ce/Bi
19,2
22,0
23,6
18,5
30,0
18,3
28,0
55,0
43,0
14,5
30,0
22,2
16,7
30,0
7,5
31,4
19,0
8,5
50,0
6,2
25,0
11,4
18,7
23,86
12,5
LA
19,70
15,92
17,04
13,75
12,24
15,74
14,54
12,24
13,63
16,25
14,71
17,05
19,75
19,23
3,75
12,85
14,05
4,21
13,16
5,78
13,82
10,14
21,75
13,97
4,65
Cechy struktury
NA
d
370
16,91
373
13,59
368
14,75
298
14,69
228
17,10
288
17,41
224
20,67
242
16,11
225
19,29
336
15,40
263
17,81
284
19,12
547
11,50
298
20,55
153
7,74
267
15,33
243
18,41
155
8,65
211
19,86
227
8,11
237
18,57
410
7,88
905
7,65
311
15,09
156,4
4,41
 
79,0
73,2
75,7
69,5
73,2
73,0
86,0
72,0
88,0
83,3
76,5
84,4
64,2
88,6
39,4
72,1
76,3
39,7
81,6
43,5
72,5
39,2
48,2
69,52
16,09
Zmiany wielkości wydzieleń grafitu izolowanego, w zależności od zawartości
bizmutu oraz ceru, przedstawia rysunek 2. Ekstremum funkcji jest zlokalizowane w
obszarze zawartości Bi w granicach 0,0008% d0 0,0010% oraz ceru – od 0,030% do
0,040%. Zarówno obniżenie, a zwłaszcza podwyższenie zawartości bizmutu, w
stosunku do tego obszaru, zmniejsza wielkość wydzieleń grafitu izolowanego. W tym
drugim przypadku mamy do czynienia z zanikiem zwartych wydzieleń grafitu.
460
Tabela 2. Wyniki analizy korelacji międzyparametrowej
Table 2. The results of analysis of the correlation between parameters
Parametry
C
Si
Bi
Ce
Parametry
Ce/Bi
LA
C
-
-0,433
0,073
-0,174
-0,121
0,012
0,195
d
-0,181
 
-0,218
Si
-0,433
-
-0,494
0,413
-0,427
0,457
0,014
0,506
0,683
Bi
0,073
-0,494
-
-0,457
-0,742
-0,580
-0,235
-0,528
-0,587
Ce
-0,174
0,413
-0,457
-
0,876
0,218
-0,266
0,720
0,669
Ce/Bi
-0,121
0,427
-0,742
0,876
-
0,234
-0,178
0,643
0,608
L
0,012
0,457
-0,580
0,218
0,234
-
0,642
0,422
0,596
N
0,195
0,014
-0,253
-0,266
-0,178
0,642
-
-0,371
-0,188
d
-0,181
0,506
-0,528
0,720
0,643
0,422
-0,371
-
0,939
-0,218
0,583
-0,587
0,669
-,608
0,596
-0,188
0,939
-
NA
Istotne współczynniki korelacji zostały podkreślone.
Rys. 2. Wielkość izolowanych wydzieleń grafitu w zależności
od zawartości bizmutu i ceru w żeliwie nadeutektycznym
Fig. 2. The size of isolated graphite precipitates versus bismuth
and cerium content in hypereutectic cast iron
461
3. PODSUMOWANIE
Wprowadzenie do żeliwa nadeutektycznego niewielkich ilości bizmutu oraz ceru,
jako składników modyfikatorów, powoduje wydzielanie się grafitu izolowanego postaci
III do VI (wg PN-EN ISO 945). Ich średnia wielkość zawiera się w granicach od 14 m
do 20 m .Optymalny zakres zawartości tych pierwiastków: Bi od 0,0008% do
0,0010%, natomiast Ce od 0,030% do 0,040%.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
T.Warchala, M.S. Soiński; Zmiany wskaźnika kształtu grafitu żeliwa
modyfikowanego niewielkimi dodatkami Bi i Ce. Acta Metallurgica Slovaca.
Ročnik 5, Mimoriadne čislo 3/1999, s. 307-311.
T.Warchala, M.S. Soiński; Wpływ zawartości bizmutu i ceru po modyfikacji
kompleksowej na właściwości mechaniczne żeliwa nadeutektycznego.
Krzepnięcie Metali i Stopów. Rok 2000, rocznik 2, nr 43, s. 517-522.
T.Warchala, M.S. Soiński: Wpływ zawartości bizmutu i ceru po modyfikacji
kompleksowej na cechy struktury żeliwa nadeutektycznego. Acta Metallurgica
Slovaca. Ročnik 8, Mimoriadne čislo 2/2002, s. 22-27.
T.Warchala, M.S. Soiński: Cechy żeliwa z grafitem zwartym, wytworzonego ze
złomu obiegowego zawierającego Bi i Ce. Acta Metallurgica Slovaca. Ročnik 7,
Mimoriadne čislo 3/2001, s. 166-171.
J.Cybo, S. Jura: Funkcyjny opis struktur izometrycznych w metalografii
ilościowej. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 1995.
M.S.Soiński. T. Warchala: Żeliwo z grafitem zwartym, zarodkowanym
modyfikatorami bezmagnezowymi i z obniżonym udziałem pierwiastków metali
ziem rzadkich oraz optymalizacja tychże modyfikatorów. Sprawozdanie z pracy
badawczej nr 7 TO8B 019 13.
Katedra Odlewnictwa Politechniki
Częstochowskiej. Częstochowa 1999.
THE SIZE OF ISOLATED GRAPHITE PRECIPITATES IN THE CAST IRON
MODIFIED WITH ADDITIONS CONTAINING BISMUTH AND CERIUM
SUMMARY
The paper presents some data regarding to the size of isolated graphite precipitates
in hypereutectic cast iron modified with additions containing bismuth and cerium. The
average diameter of isolated precipitates, being a total circumference length divided by
the number of precipitates, have been assumed as the measure of the size of precipitates.
A significant, though not very strong, positive influence of bismuth, and more
complicated and much stronger influence of cerium have been observed. The average
size of isolated graphite precipitates has varied within the range of 8-20 μm.
Recenzowali Prof. Zbigniew Piłkowski, Prof. Jan Szajnar