wpływ szybkiej krystalizacji na intensywność zużycia ściernego

wpływ szybkiej krystalizacji na intensywność zużycia ściernego

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
35/2
WPŁYW SZYBKIEJ KRYSTALIZACJI NA INTENSYWNOŚĆ
ZUŻYCIA ŚCIERNEGO ODLEWÓW ŻELIWNYCH
A. W. ORŁOWICZ 1, A. TRYTEK2
Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechniki Rzeszowskiej,
ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów
STRESZCZENIE:
Zastosowanie skoncentrowanego strumienia ciepła do utwardzania powierzchniowego odlewów żeliwnych daje nowe możliwości poprawy ich odporności na
zużycie ścierne. Biorąc pod uwagę niskie koszty urządzenia i eksploatacji, uszlachetnianie powierzchniowe odlewów żeliwnych wykonano z zastosowaniem metody
GTAW.
Key words: nodular cast iron, GTAW process, surface layer, frictional wear
1. WSTĘP
Dzięki swoim właściwościom użytkowym, oraz konkurencyjnym w porównaniu do innych stopów żelaza kosztom otrzymywania, żeliwo znalazło zastosowanie
przy wytwarzaniu odlewów o wymiarach od kilku milimetrów do kilkunastu metrów i o
masie od kilku gramów do kilkudziesięciu ton. Odlewy z żeliwa mają różne zastosowanie. Dla wielu z nich stawia się specjalne wymagania eksploatacyjne na przykład
odporność na zużycie ścierne. Praca dotyczy wybranych problemów z zakresu doboru
warunków krystalizacji, a tym samym doboru struktury dla uzyskania wysokiej odporności na zużycie ścierne.
Ze względu na koszty wytwarzania strukturę pierwotną odlewów kształtuje się
najczęściej poprzez zmianę warunków krystalizacji. Znaczenie warunków krystalizacji
na strukturę, a tym samym na właściwości użytkowe odlewu zilustrować można na
1
2
prof. dr hab. inż., [email protected]
[email protected]
przykład w oparciu o wyniki badań nad zużyciem żeliwa stosowanego na tuleje
cylindrów silników samochodowych [1].
W przypadku stosowania zbyt chłodnej formy odlewniczej (znacznej szybkości
chłodzenia) uzyskiwano w strukturze odlewów drobne wydzielenia grafitu płatkowego
o długości do 15 m i rozłożeniu międzydendrytycznym (rys. 1a). Przy zbyt nagrzanej
formie (małej szybkości chłodzenia) uzyskiwano w strukturze odlewu wydzielenia
grafitu płatkowego o długości 90÷180 m (rys. 1b) i rozłożeniu równo-miernym. Dla
ustabilizowanych warunków produkcji uzyskiwano żeliwo zawierające wydzielenia
płatków grafitu o długości do 45 m (rys 1c) przy równomiernym ich rozłożeniu.
Efektem zróżnicowanej struktury był inny mechanizm zużycia i inna żywotność
odlewów tulei.
a)
b)
c)
d)
Rys. 1. Przekrój poprzeczny próbek z żeliwa (w stanie surowym) współpracujących z
hartowaną stalową przeciwpróbką. Żeliwo z wydzieleniami grafitu o długości płatków do
15 m –a), żeliwo z wydzieleniami grafitu o długości płatków 90÷180 m -b), żeliwo z
wydzieleniami grafitu o długości płatków grafitu około 45 m –c), żeliwo z
wydzieleniami grafitu sferoidalnego –d)
Fig. 1. Cross section of cast-iron samples (as cast) on cooperating with hardened steel countersample. (a) Cast iron with graphite precipitates of flake length up to 15 μm, (b) cast iron
with graphite precipitates of flake length 90 - 180 μm, (c) cast iron with graphite
precipitates of flake length of approx. 45 μm, (d) cast iron with spheroidal graphite
precipitates.
W warunkach zużycia ściernego w przypowierzchniowej warstwie materiału
widoczne jest jego odkształcenie plastyczne. Wydzielenia grafitu ulegają w tym
obszarze silnemu odkształceniu i stanowią zarodki pęknięć. Przy obecności małych
wydzieleń grafitu obserwuje się zużycie odlewów poprzez wyrywanie gniazd materiału.
W przypadku wydzieleń grafitu o wymiarach około 45 m ta ich część, która znajduje
się w strefie odkształcenia plastycznego ulega wyciśnięciu ku powierzchni poprawiając
warunki współpracy układu trącego. W tym przypadku obciążenie jest przekazywane na
większą powierzchnię rozdziału grafit-osnowa i poprzez to żeliwo wykazuje małą
podatność do tworzenia wyrwań. Żeliwo o takich wydzieleniach grafitu wykazuje
zadowalającą odporność na zużycie ścierne. W żeliwie o wymiarach wydzieleń grafitu
ponad 90 m część ich wykazuje ułożenie prawie równoległe do powierzchni trącej. W
efekcie cyklicznych odkształceń materiału osnowy przy obecności takich wydzieleń
grafitu powstają duże wyrwania materiału. W przypadku żeliwa sferoidalnego
wydzielenia grafitu znajdujące się w strefie odkształcenia plastycznego ulegają
deformacji (zawalcowaniu). Ostre krawędzie zawalcowań sprzyjają rozwojowi
mikropęknięć w osnowie. Niszczenie materiału odbywa się najintensywniej drogą
wykruszeń osnowy znad zawalcowanych wydzieleń grafitu. Tak więc badania
wykazały, że warunki krystalizacji pierwotnej decydujące o strukturze żeliwa mają
istotny wpływ na mechanizm, a poprzez to na wartość zużycia odlewów tulei
cylindrycznych. Oczywiście odporność na zużycie ścierne zależy również od struktury
osnowy.
Dla uzyskania odpornej na zużycie ścierne struktury osnowy stosuje się
najczęściej zabieg hartowania zwykłego lub hartowania z przemianą izotermiczną co
pozwala uzyskać w osnowie martenzyt i bainit, ale zabiegi takie podrażają koszty
produkcji.
Wraz z rozwojem techniki rosną wymagania w stosunku do maszyn i urządzeń
pracujących przy coraz silniejszym obciążeniu. Poprawa ich właściwości użytkowych
poprzez zastosowanie materiałów zawierających deficytowe i drogie dodatki stopowe
(tzw. uszlachetnianie objętościowe) staje się mało atrakcyjne ponieważ wiąże się ze
wzrostem kosztów produkcji. Z uwagi na to coraz większe uznanie zyskują technologie,
które wykorzystując materiały tradycyjne umożliwiają poprawę właściwości
użytkowych warstwy wierzchniej. Dzięki temu obniżają się koszty produkcji i zwiększa
trwałość wyrobów. Możliwe jest przy tym uzyskanie wyrobów o właściwościach
warstwy wierzchniej nieosiągalnych przy zastosowaniu tradycyjnych materiałów
konstrukcyjnych i tradycyjnych technologii wytwarzania.
Prace wielu ośrodków idą w kierunku wykorzystania do obróbki powierzchniowej detali skoncentrowanego strumienia ciepła (laser, wiązka elektronów, plazma
łuku elektrycznego). Przy zastosowaniu wysokoenergetycznych źródeł ciepła uzyskać
można bardzo szybkie nadtopienie warstwy wierzchniej i kolejna szybką krystalizację.
Drobnodyspersyjna struktura materiału uzyskanego w wyniku szybkiej krystalizacji
powinna zapewnić dobrą odporność na zużycie ścierne odlewów żeliwnych.
W ostatnim okresie w badaniach naukowych i w przemyśle coraz większym
zainteresowaniem cieszy się metoda GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) [2-5]. Ta
metoda nadtapiania powierzchniowego odlewów jest szczególnie interesująca ze
względów ekonomicznych i możliwości technologicznych, dlatego powinna w niedługim czasie znaleźć szerokie zastosowanie do uszlachetniania powierzchniowego
odlewów.
Celem pracy było określenie wpływu struktury żeliwa odlanego do formy
piaskowej, żeliwa utwardzonego drogą hartowania, żeliwa odlanego do formy piaskowej zawierającej stalowy ochładzalnik oraz żeliwa uszlachetnionego powierzchniowo
drogą szybkiej krystalizacji przy zastosowaniu metody GTAW na jego intensywność
zużycia ściernego w warunkach tarcia suchego.
2. MATERIAŁ, STANOWISKO DO BADAŃ
Materiałem do badań było niestopowe żeliwo sferoidalne przygotowane tak,
aby stopień nasycenia eutektycznego był równy S c=1. Wytopy prowadzono w
elektrycznym piecu indukcyjnym o pojemności 100 kg. Do wykonania form
przygotowano modele płyt o wymiarach 200x100x20 mm, które zaformowano pionowo
przy zastosowaniu masy bentonitowej. Formy zalewano poprzez syfonowy układ
wlewowy żeliwem o temperaturze 1370 oC. Żeliwo zawierało 3,49% C, 2,30% Si,
0,66% Mn, 0,019% S, 0,039% P, 0,17% Cu, 0,01% Ni, 0,084% Mg. Odlewy miały
strukturę osnowy perlityczno-ferrytyczną i wydzielenia grafitu sferoidalnego (rys. 2a).
Twardość odlewów wynosiła 15 HRC. Dla przygotowania materiału utwardzonego
drogą obróbki cieplnej, próbki hartowano w wodzie z dodatkiem środka
spowalniającego szybkość chłodzenia. Taka obróbka cieplna pozwoliła uzyskać żeliwo
o strukturze zawierającej w osnowie produkty hartowania (rys. 2b). Żeliwo to miało
twardość 40 HRC.
Dla przygotowania materiału na próbki utwardzone odlewniczo u podstawy
wnęki formy zaformowano pokryty sadzą ochładzalnik o wymiarach 100x100x20 mm.
Zastosowanie ochładzalnika pozwoliło na uzyskanie w warstwie utwardzonej
odlewniczo wydzieleń ledeburytu przemienionego, którego udział malał w miarę
oddalania się od powierzchni w głąb materiału odlewu oraz wydzieleń grafitu
sferoidalnego. Średnia wartość odległości międzypłytkowej w perlicie tego żeliwa
wynosiła śr=3,20 m. Efektem zmian udziału objętościowego składników struktury
były zmiany twardości od 44 HRC na głębokości 2 mm, 39 HRC na głębokości 4 mm,
34 HRC na głębokości 6 mm, 30 HRC na głębokości 8 mm, 27 HRC na głębokości 10
mm. Strefa utwardzenia sięgała do głębokości 20 mm. Strukturę w obszarze przypowierzchniowym obrazuje rysunek 2c.
Dla przygotowania próbek z warstwą wierzchnią uszlachetnioną powierzchniowo drogą szybkiej krystalizacji przygotowano płytki (z żeliwa odlanego do form
piaskowych) o wymiarach 200x50x10 mm. Płytki te nadtapiano w atmosferze argonu
lub helu (urządzenie FALTIG 315 AC/DC) z zastosowaniem elektrody wolframowej o
średnicy 2,4 mm umocnionej tlenkiem toru (WT20 wg DIN), przy zastosowaniu
natężenia prądu I=300A i prędkości skanowania łukiem elektrycznym vs=200 mm/min.
Dla intensyfikacji procesu odprowadzenia ciepła (uzyskania warunków zbliżonych do
warunków nadtapiania powierzchniowego odlewów o dużej pojemności cieplnej) płytki
były zamocowane w kalorymetrze przepływowym umożliwiającym omywanie dolnej
powierzchni strumieniem wody chłodzącej. Przetopienia realizowano przy takim
przepływie wody, który gwarantował zanik pęcherzy pary wodnej na granicy próbkawoda, co obserwowano przez przeźroczyste ścianki kalorymetru. W obszarze nadtopień
uzyskano wydzielenia eutektyki cementytowej włóknistej i płytkowej oraz produkty
hartowania. Strukturę obszaru nadtopień uzyskanych w atmosferze argonu lub helu
przedstawia rysunek 2d i 2e.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Rys. 2. Struktura próbek do badań intensywności zużycia ściernego i struktura materiału
przeciwpróbki. Próbka w stanie surowym (ferryt, perlit, grafit sferoidalny) –a), próbka
hartowana (produkty hartowania, grafit sferoidalny) –b), próbka utwardzona odlewniczo
(ledeburyt przemieniony, grafit sferoidalny) –c), próbka utwardzona drogą szybkiej
krystalizacji (cementyt, austenit, produkty hartowania) –d,e), struktura przeciwpróbki
(ledeburyt przemieniony, grafit sferoidalny) –f), pow. 300x
Fig. 2. Structure of samples for examining the intensity of frictional wear and that of countersample material. (a) as-cast sample (ferrite, perlite, spheroidal graphite), (b) hardened
sample (products of hardening, spheroidal graphite, (c) sample hardened by foundry
methods (transferred ledeburite, spheroidal graphite), (d, e) sample hardened by rapid
crystallization (cementite, austenite, products of hardening), (f) counter-sample structure
(transferred ledeburite, spheroidal graphite); 300 x magnification
Wartości odległości międzywłóknowej w eutektyki włóknistej oraz
odległości międzypłytkowej p eutektyki płytkowej różniły się między sobą bardzo
niewiele bo około 0,04 m, dlatego określono ich wartość średnią śr. Wartość ta dla
obszaru nadtopień wykonanych w atmosferze argonu wynosiła śr=1,23 m, a dla
obszaru nadtopień wykonanych w atmosferze helu wynosiła śr=1,32 m. Efektem
zróżnicowania struktury były inne wartości twardości obszaru nadtopień. Wynosiła
ona odpowiednio dla nadtopień wykonanych w atmosferze argonu 65 HRC, a dla
nadtopień wykonanych w atmosferze helu 60 HRC.
Sposób pobierania próbek do badań porównawczych przedstawia rysunek 3.
a)
b)
c)
Rys. 3. Sposób pobierania próbek do badań intensywności zużycia ściernego. Próbka w stanie
surowym i próbka hartowana –a), próbka utwardzona odlewniczo –b), próbka utwardzona
droga szybkiej krystalizacji –c)
Fig. 3. Method of sampling for testing the intensity of frictional wear. (a) as-cast sample and
hardened sample; (b) sample hardened by foundry methods; (c) sample hardened by rapid
crystallization
Przy doborze materiału przeciwpróbki oparto się na wynikach pracy [6]. W
pracy tej badano zużycie ścierne utwardzonych odlewniczo wałków krzywkowych o
twardości 52 HRC współpracujących z płytkami regulacyjnymi wykonanymi z żeliwa
sferoidalnego o bainityczno-martenzytycznej strukturze osnowy, z żeliwa sferoidalnego o strukturze zawierającej ferryt i produkty hartowania oraz z żeliwa białego o
strukturze ledeburytu przemienionego. Okazało się, że najlepiej współpracowała płytka
z żeliwa białego o podobnej twardości (52 HRC). Wzorując się na parach trących
pracujących w rzeczywistych warunkach zdecydowano, że materiałem na
przeciwpróbkę będzie żeliwo utwardzone odlewniczo o twardości 60 HRC. Przeciwpróbkę wykonano z żeliwa o składzie 3,59% C, 2,60% Si, 0,49% Mn, 0,010% S, 0,04%
P, 0,77% Cu, 0,69% Ni, 0,01% Mo, 0,72 % Cr, 0,044% Mg. Odlew w kształcie tarczy o
średnicy 210 mm i grubości 15 mm wykonano w formie kokilowej. Strukturę
materiału przeciwpróbki obrazuje rysunek 2f. Powierzchnię współpracy przygotowano
przez zdjęcie naskórka odlewniczego drogą szlifowania.
3. BADANIA TRYBOLOGICZNE
Parę trącą stanowiła przeciwpróbka w kształcie tarczy, zamocowana na
urządzeniu wprawiającym ją w ruch obrotowy oraz dociskana doń próbka w kształcie
sześciennej kostki (rys. 4).
W badaniach trybologicznych określono intensywność zużycia ściernego Z i
według zależności: Zi=/li , gdzie: Δm/·s, cm, l i – droga tarcia, cm, Δm – różnica
masy próbki, g,  –gęstość materiału próbki, g/cm3, s – pole powierzchni trącej próbki,
cm2. W czasie badań stosowano siłę nacisku na próbkę F=100N. Prędkość liniowa
przemieszczania się próbki względem przeciwpróbki wynosiła vt=1,6 m/s, a czas
ścierania =120 min. Wyniki badań wpływu struktury materiału próbek na
intensywność zużycia ściernego przy szybkości wzajemnego przemieszczania się
próbki względem przeciwpróbki vt=1,6 m/s przedstawiono w tabeli 1.
Rys. 4. Schematyczne przedstawienie pary trącej 1-próbka, 2- przeciwpróbka, F- siła
obciążająca, vt- szybkość przemieszczania się próbki względem przeciwpróbki
Fig. 4. Diagram of frictional couple of forces. 1 - sample, 2 -counter-sample, F - loading
force, vt - relative speed of sample movement against counter-sample
Tabela 1. Wyniki badań trybologicznych żeliwa o zróżnicowanej strukturze warstwy wierzchniej
Table 1. Results of tribologic tests of cast iron with differentiated structure of surface layer
Parametry ścierania
Intensywność
zużycia ściernego,
Żeliwo
Prędkość liniowa, Siła nacisku,
Zi·10-10
vt, m/s
F, N
w stanie surowym
1,6
100
420
po zahartowaniu
1,6
100
110
utwardzone odlewniczo
1,6
100
44
uszlachetnione powierzchniowo
1,6
100
13
GTAW, hel, 300A, 200 mm/min
uszlachetnione powierzchniowo
1,6
100
6,9
GTAW, argon, 300A, 200mm/min
Badania wykazały, że generalnie najmniejszą intensywność zużycia ściernego
wykazało żeliwo o strukturze uzyskanej w wyniku szybkiej krystalizacji. W grupie tak
uszlachetnionego żeliwa niższymi wartościami parametru strukturalnego a tym
samym lepszymi właściwościami eksploatacyjnymi charakteryzował się materiał
warstwy wierzchniej uzyskany w wyniku nadtapiania powierzchniowego odlewów w
atmosferze argonu. W związku z tym dalszym badaniom poddano materiał warstwy
wierzchniej odlewów uszlachetnionych metoda GTAW w atmosfe-rze argonu.
Według N.G. Girszowicza [7] ważnym czynnikiem określającym zużycie
żeliwa przy tarciu suchym jest siła obciążająca próbkę F. Przekroczenie krytycznej
wartości obciążenia (zależnej od struktury materiału i od względnej prędkości trącej
pary vt) powoduje zatarcie. W związku z powyższym interesującym wydawało się
określenie związku pomiędzy intensywnością zużycia ściernego Z i, a obciążeniem F i
prędkością przemieszczenia się próbki względem przeciwpróbki vt. Wyniki pomiarów
intensywności zużycia przedstawiono w tabeli 2. Przy opracowywaniu wyników badań
zastosowano metodę regresji krokowej [8] przy założonym poziomie dołączania i
odrzucania (test F=2). Uzyskana zależność miała postać (1):
Zi = - 1,6·10-8 + 4,69·10-11·F + 5,23·10-9· vt
(1)
o parametrach statystycznych: odchylenie standardowe
∆Zi=2,7·10-9, współczynnik korelacji R=0,92, test F dla
funkcji F=16, poziom istotności =0,05.
Okazało się, że obie zmienne z jednakową siłą wpływają na intensywność zużycia
ściernego.
Tabela 2. Wyniki badań trybologicznych próbek z żeliwa uszlachetnionego powierzchniowo metodą GTAW w atmosferze argonu
(I=300 A, vs=200 mm/min)
Table 2. Results of tribologic tests of cast iron surface treated by GTAW
method in argon atmosphere (I=300 A, vs = 200 mm/min)
Parametry ścierania
Intensywność
zużycia ściernego,
Prędkość liniowa,
Siła nacisku,
Zi·10-10
vt, m/s
F, N
1,6
100
6,9
1,6
200
21
1,6
300
42
2,4
100
11
2,4
200
30
2,4
300
130
3,2
100
53
3,2
200
88
3,2
300
180
4. BADANIA POWIERZCHNI TRĄCYCH
4.1. Badania mikroskopowe
Na próbkach po badaniach zużycia ściernego (vt=1,6 m/s, F=100 N) przeprowadzono obserwacje powierzchni przekroju poprzecznego (rys. 5). Skupiono się
głównie na materiale utwardzonym drogą odlewniczą i materiale uszlachetnionym
drogą szybkiej krystalizacji, ponieważ wykazywał on niskie wartości intensywności
zużycia ściernego.
W wyniku obserwacji powierzchni przekroju poprzecznego próbek po
badaniach trybologicznych stwierdzić można, że podczas ścierania w materiale
utwardzonym drogą odlewniczą następuje łamanie i wykruszanie płytek cementytu.
Pęknięcia wydzieleń cementytu widoczne są już na głębokości około 4 m. Niszcze-nie
twardego szkieletu wydzieleń cementytu umożliwia płynięcie cienkiej przypowierzchniowej warstwy materiału, co osłabia jego spójność i prowadzi do inicjacji
wyrwań. Wyrwane grube cząstki cementytu niszczą powierzchnię próbki. W związku z
tym, że materiał przeciwpróbki zawiera w swojej strukturze również grube wydzie-lenia
cementytu, które ulegają wyrwaniom według podobnego mechanizmu to w obszarze
współpracy znajduje się duża ilość wyrwanych kawałków twardej fazy, która
intensyfikuje proces zużycia.
W przypadku próbek utwardzonych przy zastosowaniu metody GTAW
odległość pomiędzy wydzieleniami cementytu jest mniejsza. Mała grubość płytek i
włókien cementytu oraz obecność wydzieleń austenitu i produktów hartowania
powoduje, że tworzą się znacznie mniejsze wyrwania materiału.
a)
b)
c)
Rys. 5. Struktura powierzchni przekroju poprzecznego próbki utwardzonej odlewniczo –a),
struktura powierzchni przekroju poprzecznego próbki utwardzonej drogą szybkiej
krystalizacji (GTAW, I=300 A, vs=200 mm/min, hel) –b,c)
Fig. 5. Structure of the cross section of sample (a) hardened by foundry methods, (b,c) hardened
by rapid crystallization (GTAW, I=300, vs=200 mm/min)
4.2. Ocena struktury geometrycznej powierzchni warstwy wierzchniej
Chropowatość powierzchni może być traktowana jako wynik powtarzających
się cyklicznie procesów, przebiegających w strefie styku współpracujących ze sobą
elementów. Powstające w tym układzie procesy (tarcie powierzchni próbki o
powierzchnię przeciwpróbki, dekohezja, dyfuzja, odkształcenia plastyczne w strefie
styku powierzchni, rozwój dyslokacji i degradacja struktury krystalicznej) przyjmowane są jako zakłócenia powodujące kształtowanie składowej chropowatości. Przy
stosowaniu urządzenia do ścierania o ruchu posuwisto-zwrotnym przy zmianie kierunku
ścierania, próbka (nawet przy dobrym zamocowaniu) ulega niewielkiemu
przemieszczeniu. Efektem tego jest falistość powierzchni. W przypadku zastosowania
urządzenia o ustalonym kierunku obrotów eliminuje się tą niedogodność. W związku z
tym można przyjąć, że falistość powierzchni jest cechą nie powiązaną morfologicznie z
chropowatością tej samej powierzchni. Dlatego w pracy świadomie zawężono problem
do oceny chropowatości wybranego obszaru powierzchni.
Można wyróżnić około czterdziestu parametrów, rozkładów i funkcji opisujących cechy chropowatości [9]. W związku z tym, że zużycie powoduje zmiany wysokości próbki zdecydowano w pomiarach uwzględniać tylko parametry wysokościowe
(Rq, Rt, Rz).
Badaniom poddano próbki utwardzone odlewniczo oraz uszlachetnione
powierzchniowo przy zastosowaniu metody GTAW w atmosferze argonu lub helu,
ponieważ wykazywały najmniejszą intensywność zużycia ściernego. Analizowano
również warstwę wierzchnią przeciwpróbki. W badaniach struktury geometrycznej
powierzchni warstwy wierzchniej próbek i przeciwpróbek odcinek pomiarowy wynosił
4 mm. Stosowano obustronne odcięcie wyników na linii pomiarowej na poziomie 0,8
mm.
Analiza struktury geometrycznej powierzchni warstwy wierzchniej próbek i
przeciwpróbek potwierdza wyniki badań metalograficznych. Wyższe wartości
parametrów Rq, Rt, Rz próbek utwardzonych metodą odlewniczą (rys. 6a) świadczą o
tym, że zużywały się one z większą intensywnością. Natomiast w przypadku próbek
nadtapionych powierzchniowo, z wykorzystaniem metody GTAW, w atmosferze
argonu lub helu, wartości parametrów R q, Rt, Rz są niższe w porównaniu do wartości
tych parametrów dla materiału utwardzonego odlewniczo. Także przeciwpróbki, po
współpracy z próbkami utwardzonymi, w wyniku szybkiej krystalizacji, wykazują
niższe wartości parametrów Rq, Rt, Rz. Najniższe wartości parametrów R q, Rt oraz Rz
wykazują próbki nadtopione w atmosferze argonu (rys. 6c).
Przy współpracy próbek uszlachetnionych powierzchniowo z przeciwpróbką
utwardzoną odlewniczo wartości parametrów R q, Rt, Rz są do siebie zbliżone (rys. 6b,
6c). Przy czym próbki uszlachetnione w atmosferze argonu wykazują mniejsze wartości
tych parametrów. Związane to jest z mniejszymi wartościami parametru strukturalnego
eutektyki cemnetytowej  i wyższymi wartościami mikrotwardości tych próbek.
5. WNIOSKI
1. Wśród efektów strukturalnych wywołanych szybką krystalizacją, które decydowały o
właściwościach eksploatacyjnych odlewów żeliwnych należy wymienić rozdrobnienie
struktury eutektyki cementytowej (niskie wartości parametru strukturalnego ) oraz
obecność produktów hartowania.
2. W analizowanej grupie żeliwa (żeliwo w stanie surowym, żeliwo hartowane, żeliwo
utwardzone odlewniczo, żeliwo uszlachetnione powierzchniowo drogą szybkiej krystalizacji) najmniejszą intensywność zużycia wykazało żeliwo uszlachetnione
powierzchniowo w atmosferze argonu.
3. Intensywność zużycia ściernego warstwy wierzchniej żeliwa ukonstytuowanego w
warunkach szybkiej krystalizacji, zależy od szybkości wzajemnego przemieszczania się
próbki względem przeciwpróbki i wartości siły obciążającej, co ilustruje zależność (1).
4. W przypadku próbek nadtopionych powierzchniowo, z wykorzystaniem metody
GTAW, w atmosferze argonu lub helu, wartości parametrów R q, Rt, Rz są niższe w
porównaniu do wartości tych parametrów dla materiału utwardzonego odlewniczo.
Także przeciwpróbki, po współpracy z próbkami utwardzonymi, w wyniku szybkiej
krystalizacji, wykazują niższe wartości parametrów R q, Rt, Rz. Najniższe wartości
parametrów Rq, Rt oraz Rz wykazują próbki nadtopione w atmosferze argonu.
a)
b)
c)
Rys. 6. Porównanie wartości Rq, Rt, Rz dla próbek i przeciwpróbki po badaniach zużycia
ściernego: żeliwo zabielone odlewniczo –a), żeliwa uszlachetnionego powierzchniowo
w atmosferze helu –b) i w atmosferze argonu –c)
Fig. 6. Comparison of R q, Rt, Rz values for samples and counter-samples after frictional wear
tests: a) cast iron hardened by foundry methods, b) cast iron surfaced in helium
atmosphere and c) in argon atmosphere
LITERATURA
[1] Orłowicz A.W., Opiekun Z., Michalski J.: Metalograficzna analiza pary wałek
krzywkowy-płytka regulacyjna. Przegląd Mechniczny Nr 4, 5-9, 1988
[2] Tanaka Y., Kuzuma K., Hiraoka T.: Surface hardening of spheroidal graphite cast
iron by Inert-Gas-Tungsten-Arc remelting. IMONO Nr 10, Vol. 57, 653-658, 1985
[3] Pocica A.: Zmiany strukturalne odlewów z żeliwa szarego w procesie obróbki
powierzchniowej metodą spawalniczą. Praca doktorska. Politechnika Warszawska,
Warszawa 1991
[4] Orłowicz A.W., Opiekun Z., Trytek A.: Żeliwne łożyska ślizgowe odporne na
zużycie ścierne. PAN Krzepnięcie Metali i Stopów Nr 39, 183-190, 1999
[5] Nitkiewicz Z., Iwaszko J.: Wykorzystanie plazmy łukowej w inżynierii powierzchni.
Inżynieria Materiałowa Nr 6, 373-375, 2000.
[6] Orłowicz W.: Wpływ warunków krystalizacji i obróbki cieplnej na zużycie żeliwa.
Przemiany Strukturalne w Stopach Odlewniczych – Teoria i Efekty Użytkowe.
Materiały III Sympozjum. Zespół V Sekcji Teorii Procesów Odlewniczych. Komitet
Metalurgii PAN w Krakowie i WSP w Rzeszowie. Rzeszów, 51-59, 1989.
[7] Girszowicz. N. G.: Kristalizacja i swojstwa czuguna w otliwkach. Maszinostrojenije.
Moskwa-Leningrad 1966
[8] Draper N.R., Smith H.: Analiza regresji stosowanej. PWN, Warszawa, 1973
[9] Oczoś K.E., Lubimow W.: Klasyfikacja struktur geometrycznych powierzchni
(SGP). Prace naukowe ITMiA Politechniki Wrocławskiej Nr 74, 148-154,1999
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego Nr 7 T08C 010 17 finansowanego
przez Komitet Badań Naukowych.
EFFECT OF RAPID CRYSTALLIZATION ON INTENSITY OF FRICTIONAL
WEAR OF IRON CASTINGS
SUMMARY
Application of concentrated heat flux for surface hardening of cast-iron
castings offers new opportunities for improving their resistance to frictional wear.
Because of low equipment and operation costs, the GTAW surfacing process was
employed for surface quality improvement of cast-iron castings.
Recenzował Prof. Stanisław Jura