Wielkość izolowanych wydzieleń grafitu w żeliwie modyfikowanym
Transkrypt
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