struktura i właściwości mechaniczne żeliwa z grafitem mieszanym

struktura i właściwości mechaniczne żeliwa z grafitem mieszanym

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6
Archives of Foundry
Year 2002, Volume 2, Book 6
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
13/6
STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA
Z GRAFITEM MIESZANYM HARTOWANEGO
IZOTERMICZNIE
M. KACZOROWSKI1
Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW
02-524 Warszawa, ul. Narbutta 85
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych oraz strukturalnych żeliwa z grafitem sferoidalno – wermikularnym, hartowanemu izotermicznie przez
1.5h w temperaturze 300o C (wariant A) oraz 1.0h w temperaturze 350o C (wariant B). W
dalszej kolejności żeliwo wyżarzano izotermicznie przez czas do 1000h w temperaturze
250o C (wariant A) oraz 300o C (wariant B) celem określenia zmian mikrostruktury i
własności mechanicznych pod wpływem oddziaływania wysokiej temperatury. W wyniku badań ustalono, że żeliwo ma osnowę iglastą, charakterystyczną dla żeliwa ADI
jednak obecność grafitu wermikularnego przyczynia się do istotnego zmniejszenia własności mechanicznych, zwłaszcza własności plastycznych żeliwa. Własności te nie
zmieniają jednak zasadniczo podczas wyżarzania w podwyższonej temperaturze.
1.
WPROWADZENIE
Żeliwo ADI (ang. Austempered Ductile Iron) jest obecnie jednym z najbardziej b adanych tworzyw odlewniczych, a powodem jest wyjątkowe skojarzenie wysokich własności wytrzymałościowych i plastycznych. Dowodem olbrzymiego zaintereso wania
tym tworzywem są specjalne konferencje poświęcone żeliwu ADI, z których ostatnia
odbyła się w Barcelonie we wrześniu 2002 roku [1], a także informacje w internecie [2].
Innym bardzo interesującym, obok żeliwa ADI, odlewniczym stopem żelaza z węglem
jest żeliwo z grafitem wermikularnym – CGI (ang. Compacted Graphite Iron), które
choć nie szokuje wysokimi własnościami mechanicznymi to jednak ma szereg zalet
tworząc pomost pomiędzy żeliwem szarym, a żeliwem z grafitem kulkowym [3,4].
1
Prof. dr hab.inż., [email protected]
127
Cechą wyróżniającą ten gatunek żeliwa są własności mechaniczne lepsze niż żeliwa
szarego i lepsza niż żeliwa sferoidalnego przewodność cieplna oraz zdolność tłumienia
drgań. To spowodował, iż żeliwo CGI jest wyjątkowo atrakcyjnym materiałem dla
przemysłu motoryzacyjnego.
2.
MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Do badań wytypowano standardowe żeliwo z grafitem kulkowym gatunku 500
07, z którego wykonano odlewy w postaci wałków o średnicy 30mm. Z odlewów wycięto próbki do badań wytrzymałościowych o długości l = 80 mm i średnicy w części
pomiarowej 6mm oraz próbki do badań udarności KCU2. Dla każdego punktu pomiarowego sporządzono komplet obejmujący po trzy próbki każdego rodzaju do badań
włąsnosci mechanicznych. Próbki austenityzowane przez 75 min w temperaturze T a =
900o C, a następnie hartowane izotermicznie w soli:
 90 min w temperaturze 300o C (wariant A),
 60 min w temperaturze 350o C (wariant B).
W dalszej kolejności materiał wyżarzano przez 120, 240, 360, 420 720 oraz
1000h w temperaturze 250o C (wariant A) oraz 300o C (wariant B). Po obróbce cieplnej
część pomiarowa próbek była szlifowana w celu usunięcia naddatku po 0.5 mm na
stronę, który miał zabezpieczać je przed odwęgleniem podczas obróbki cieplnej.
Obrobione cieplnie próbki poddano badaniom własności mechanicznych na maszynie wytrzymałościowej Instron 1115, badaniom udarności oraz twardości HRC.
Następnie wykonano systematyczne obserwacje metalograficzne.
3.
WYNIKI BADAŃ
3.1. Badania własności mechanicznych
Wyniki badań własności mechanicznych podano w tabeli 1. Każda z wartości
podanych w tablicy dotycząca badań na maszynie wytrzymałościowej jest średnią z wy ników z trzech pomiarów. Wyniki badań twardości są średnią co najmniej 12 pomiarów, spośród których dwa skrajne odrzucono zaś pozostałe obrobiono statystycznie
podając odchylenie standardowe.
W ostatniej kolumnie tabeli 1 podano stosunek umownej granicy plastyczności do n ominalnej wytrzymałości na rozciąganie, która może być pomocny przy interpretacji
zjawisk jakie dokonały się w materiale podczas hartowania izotermicznego.
128
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Tabela 1. Wyniki badań własności mechanicznych
Table 1. The result of mechanical testing
Parametry wyżarzania
o
T hi [ C]
250
300
Rm
Rm
A10
t hi [min]
[M Pa]
[M Pa]
[%]
0
120
240
1100
1190
1233
1020
1135
1161
0.95
0.60
0.60
42.0  1.8
41.5  1.9
38.7  2.9
7.35
6.80
6.70
360
420
1271
1262
1230
1207
0.53
0.50
37.6  2.4
37.5  2.0
6.20
7.00
720
1000
1205
1261
1116
1218
1.30
1.50
37.5  1.4
37.5  1.1
7.60
6.30
0
120
1118
1182
990
1117
3.50
1.10
38.5  1.2
38.1  2.0
14.00
6.70
240
360
1160
1114
1084
1047
2.90
2.10
36.7  1.9
36.1  1.4
7.30
6.80
420
720
1208
1196
1118
1088
3.30
2.80
35.9  1.6
36.1  2.3
6.00
6.10
1000
1129
1048
2.40
36.5  2.1
5.50
HBśr
KCU2
[J / cm2]
129
3.2. Wyniki badań strukturalnych
Na rys.1 i 2 zamieszczono wynik badań metalograficznych. Na pierwszym z nich
(rys.1a). pokazano przykład mikrostruktury żeliwa bezpośrednio po hartowaniu, na
którym doskonale widać zarówno grafit sferoidalny jak i wermikularny. Osnowa żeliwa
(rys.1b) ma typową budową iglastą, charakterystyczną dla żeliwa ADI, która nie zmienia się ona praktycznie po 480h wyżarzaniu (rys.1c). Zmiany stwierdza się dopiero po
upływie 1000h, kiedy to w osnowie zaczynają pojawiać się ultradyspersyjne węgliki
(rys,1d).
a
b
c
d
Rys.1. M ikrostruktura żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 300 oC i wyżarzonego
w temperaturze 250oC: a, b – 0h, c – 480h, d – 1000h,
Fig.1. The microstructure of iron isothermaly quenched at the temperatur 300oC and aged at the
temperature 250oC: a,b – 0h, b – 480h and d – 1000h
130
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
a
b
c
Rys.2. M ikrostruktura żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 350 oC i wyżarzonego
w temperaturze 300oC: a – 0h, b – 480h i c – 1000h,
Fig.2. The microstructure of iron isothermaly quenched at the temperatur 300 oC and aged at the
temperature 250oC: a – 0h, b – 480h and c – 1000h
Rys.2 pokazuje mikrostrukturę żeliwa bezpośrednio po hartowaniu w temperaturze
300o C (rys.2a) i po wyżarzaniu przez 480h (rys.2b) oraz 1000h (rys.2c). Charakteryzuje
się on nieco większym udziałem austenitu i jak się wydaje większą stabilnością cieplną,
czego dowodem jest brak wyraźnych oznak jej rozpadu nawet po upływie 1000h.
4.
ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Ze względu na ograniczone możliwości, w tym punkcie skoncentrowano się jedynie na krótkim omówieniu najważniejszych wyników uzyskanych w pracy.
W pierwszej kolejności pokazano graficzną ilustracje wyników badań własności mechanicznych (rys.3). Na wstępie należy odnotować, iż zarówno dla p ierwszego jak
i drugiego wariantu wyniki wykazują znaczny rozrzut. Można przypuszczać, że powodem dużego rozrzutu jest statystyczny rozkład wielkości grafitu wermikularnego
w poszczególnych próbkach, które działają jako koncentratory naprężenia. Mimo to
jednak, charakter zmian R0.2 i Rm na obu wykresach jest zbliżony ukazując początkowo
pewien wzrost, po którym następuje stopniowy spadek. Niewątpliwą różnicą jest to, że
131
poziom własności wytrzymałościowych jest generalnie wyższy dla żeliwa hartowanego
izotermicznie w temperaturze 300o C niż w temperaturze 350o C. Również maksimum
własności zmieniających się w funkcji czasu wyżarzania jest wyraźniejsze o znajduje
się w obszarze dłuższego czasu wyżarzania dla żeliwa z wariantu A niż B.
1400
a
R 0.2 , R m [MPa]
1300
1200
1100
1000
900
800
0
100
200 300
400 500 600
700 800
900 1000
Czas [h]
1300
b
R0.2 , Rm [MPa]
1200
1100
1000
900
800
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 100
0
Czas wyżarzania [h]
Rys.3. Zmiana R0.2 i Rm w funkcji czasu wyżarzania izotermicznego w temperaturze:
a - 250oC i b – 300oC
Fig.3. The change of R0.2 and Rm as function of isothermal annealing time at the temperature: a – 250oC, b – 300oC.
132
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
a
b
5
44
4
42
3,5
40
Twardość HRC
Wydłużenie A
1 0[%]
4,5
3
2,5
2
1,5
38
36
34
1
32
0,5
30
0
0
200
400
600
Czas wyżarzania [h]
800
1000
0
200
400
600
800
1000
Czas wyżarzania [h]
Rys.4. Zmiana właściwości w funkcji czasu wyżarzania: a - wydłużenia A 10 i b – HRC
Fig.4. The change of properties as a function of annealing time: a - elongation A 10, b -HRC
Na rys.4 pokazano zmianę wydłużenia (rys.4a) oraz twardości (rys.4b) w funkcji
czasu izotermicznego wyżarzania w temperaturze 250o C (wariant A) oraz 300o C (wariant B). Jak należało oczekiwać wydłużenie żeliwa hartowanego izotermicznie w temperaturze 300o C (ciemne punktu) jest generalnie większe. Mimo dużego rozrzutu wyników można zauważyć, iż pierwszej fazie wyżarzania wydłużenie żeliwa maleje po czym
powtórnie rośnie, podobnie jak wydłużenie żeliwa hartowanego w temperaturze 250 o C.
Twardość żeliwa w obu wypadkach maleje początkowo wraz zew zrostem czasu wyżarzania (rys.4b) by po upływie 400h ustalić się na poziomie ok. 38HRC oraz 36HRC,
odpowiednio dla żeliwa hartowanego w 250 i 300o C. Nie wnikając w szczegóły procesów wydzieleniowych zachodzących podczas wyżarzan ia takie zachowanie nie jest
zaskoczeniem. Jest ono spowodowane procesami rozpadu austenitu przechłodzonego,
w wyniku którego powstają drobnodyspersyjne węgliki umacniające wydzieleniowo.
Wzrostowi twardości (rys.4b) towarzyszy zmniejszenie ciągliwości (rys.4a). W miarę
wzrostu wydzieleń, czemu sprzyja dłuższy czas wyżarzania, stają się one mniej skutecznymi przeszkodami dla ruchu dyslokacji co prowadzi do wzrostu wydłużenia
(rys.4a) przy równoczesnym spadku twardości (rys.4b). Na pierwszy rzut oka taka interpretacja nie koresponduje z przebiegiem Rm i R0.2 (rys. 3a i b). W tym miejscu należy
jednak zauważyć, że pokazane tam krzywe pokazują tylko linię trendu, która przy
znacznym rozrzucie wyników jest bardzo przybliżona. Stąd widoczne na rys.3 położenie maksimów należy traktować z dużą dozą ostrożności. Po drugie, tak Rm jak
i R0.2 są bardzo wrażliwe na obecność „karbów” jakimi są wydzielenia grafitu zwartego.
Działanie karbu jest oczywiście zdecydowanie mniejsze niż w wypadku grafitu płatkowego ze względu na brak tak ostrych – spiczastych zakończeń, stanowiących silne koncentratory naprężenia. Poza tym, statystyczny rozkład wydzieleń uniemożliwia dokła dną ocenę zachowania się żeliwa bez ilościowej oceny udziału i rozkładu wielkości grafitu wermikularnego.
133
5. WNIOSKI
Wyniki uzyskane w pracy oraz ich analiza umożliwia sformułowanie następujących
wniosków:
1. Hartowanie izotermiczne żeliwa z grafitem mieszany (sferidalnym i zwartym)
w temperaturze 300 i 350o C umożliwia uzyskanie żeliwa o niezłych własnościach
wytrzymałościowych.
2. Własności te są mniejsze niż żeliwa ADI i limitowane przez kształt i wielkość wydzieleń grafitu zwartego.
3. Twardość żeliwa hartowanego izotermicznie zawierającego wydzielenia grafitu
zwartego jest porównywalna z twardością żeliwa ADI i zależy od temperatury hartowania.
LITERATURA
[1] Proc. 7th Int. Symp. “Science and Processing of Cast Iron”, Barcelona , 4-6.09. 2002
[2] .http://indigo4.gr.rwth-aachen.de/tlyer/squeeze/pic3.html
[3] Dawson S.: Mechanical and Physical Properties of Compacted Graphi te Iron et
Elevated Temperatures, Proc. 26th Int.Symp. on Automotive Technology aand A utomation – ISATA Dedicated Conf. on New and Alternative Materials for Aut omotive Industries, Aa, Germany 13-1t. Sept., 1993
[4] Davson S., Marcks von Würtberg J.: Practical Experiences with Compacted Grapfite Iron as a Material for Automotive Components, Proc. 26th Int.Symp. on Automotive Technology aand Automation – ISATA Dedicated Conf. on New and Alternative Materials for Automotive Industries, Aa, Germany 13-1t. Sept., 1993
THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF ION WITH
MIXED GRAPHITE
SUMMARY
The results of structural and mechanical properties investigations of iron with mixed
graphite isothermaly guenched at the temperature 300o C (type A) and 350o C (type B)
The quenched test casting, the matrix of which was ausferrite, were isothermaly annealed at the temperature 250 (A) and 300 (B) up to 1000h. The long term annealing
caused decrease the strength properties of iron accompanied with some increase of
ductility. Finally it was concluded that the mechanical properties of iron with mixed
graphite ist determined by the shape, size and distribution of compacted graphite.
Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski
134