docPobierz - Archives of Foundry Engineering
download 
Reklamacja Transkrypt
Pobierz - Archives of Foundry Engineering
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 5/8 NIEKTÓRE ASPEKTY OPTYMALIZACJI STRUKTURY ŻELIWA ADI S. DYMSKI 1 Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-791 Bydgoszcz STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań struktury żeliwa ADI. Na podstawie badania dyfrakcyjnego analizowano dystrybucję węgla w osnowie metalowej żeliwa po hartowaniu z temperatury T = 950 i 830 o C i przemianie izotermicznej w zakresie temperatury Tpi = 400250 o C w czasie pi = 15240 min. Wykazano, że na zawartość węgla w składnikach struktury osnowy wpływają parametry hartowania z przemianą izotermiczną. Key words: ADI, austempered, nanostructure, carbon, optimization 1. WPROWADZENIE Na koniec XX wieku hartowane z przemianą izotermiczną żeliwo sferoidalne (ADI austempered ductile iron) stało się w systemach produkcyjnych tworzywem odlewn iczym, przynoszącym wymierne korzyści ekonomiczno-techniczno-ekologiczne. Do wytwarzania odlewów z żeliwa ADI stosuje się odlewy z żeliwa z grafitem ku lkowym, które cechują się dobrą jakością. Odlewy te nie mogą mieć wad takich jak: pory, przedeutektyczny cementyt i wtrącenia niemetaliczne. W produkcji obowiązuje zasada, że ze złej jakości odlewów nie można otrzymać wysokojakościowego żeliwa. Stąd wytwarzanie odlewów z żeliwa ADI musi opierać się na prawidłowo wykonanych procesach metalu rgicznych, technologiczno-odlewniczych, kontrolno-pomiarowych i obróbki cieplnej. Natomiast urządzenia i aparatura kontrolno-pomiarowa powinny mieć światowy standard [1, 2]. 1 dr hab. inż., e-mail: [email protected] 51 Korzystne skojarzenie wytrzymałości i plastyczności żeliwo sferoidalne osiąga po hartowaniu z przemianą izotermiczną w zakresie bainitycznym. To skojarzenie jest rezult atem wytworzonej w osnowie metalowej struktury austenityczno-ferrytycznej, zwanej krócej ausferrytem. Hartowanie z przemianą izotermiczną żeliwa ma na celu otrzymanie w osnowie ausferrytu i polega na austenityzowaniu w zakresie temperatury T = 810950 o C w czasie i podchładzaniu do temperatury T pi = 400250 o C oraz wytrzymywaniu przez czas pi przemiany izotermicznej. Do podchładzania i wychładzania wykorzystuje się kąpiel solną, złoże fluidalne, a w mniejszym stopniu olej lub niskotopliwy ciekły metal. Natomiast w pracy [3] informuje się o hartowaniu z przemianą izotermiczną, z podchładzaniem i wychładzaniem, w złożu fluidalnym z węglika krzemu, przez który przepływa para wodna lub powietrze. Do wytworzenia określonego udziału składników struktury osnowy metalowej żeliwa prowadzi dobór warunków technologicznych hartowania z przemianą izotermiczną; temperatury T i Tpi oraz czasu i pi , a w konsekwencji do wymaganych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, odpowiadających gatunkom żeliwa ADI zawartych w PN - EN 1564. Pomiędzy początkiem i końcem izotermicznej przemiany przechłodzonego austenitu w zakresie bainitycznym kształtuje się struktura żeliwa ADI. Przed jej końcem żeliwo ma strukturę optymalną – ausferryt [1,4,5]. W osnowie metalowej istnieje możliwość regulacji udziału austenitu w strukturze żeliwa ADI. Regulacja umożliwia wytworzenie; górnego ausferrytu (T pi = 400350 o C), zawierającego do około 40 % austenitu szczątkowego i resztę ferrytu bainitycznego i dolnego ausferrytu (Tpi = 300250 o C), zawierającego do około 15 % austenitu i resztę ferrytu [1]. W kształtowaniu struktury żeliwa ADI duże znaczenie mają parametry hartowania z przemianą izotermiczną. W literaturze naukowo-technicznej optymalizacji tych parametrów poświęca się wiele uwagi [1,2,4]. Struktura, a tym samym gatunek żeliwa ADI są zależne od parametrów hartowania, a ich wartości – od składu chemicznego, stopnia mikrosegregacji struktury wejściowej i cech grafitu kulkowego [1-6]. Celem pracy jest próba analizy wpływu parametrów hartowania z przemianą izotermiczną na nanostrukturę żeliwa ADI, oparta na badaniach własnych. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ I METODY BADAWCZE Do badań użyto niestopowe żeliwo sferoidalne o zawartości pierwiastków: 3,49 % C; 2,57 % Si; 0,33 % Mn; 0,10 % P i 0,07 % S. Żeliwo wytapiano w żeliwiaku kwaśnym z go rącym dmuchem. Wlewki próbne oddzielnie odlewane miały kształt litery Y typ II (PN-EN 1563). Próbki przed hartowaniem poddano dwustopniowemu wyżarzaniu ferrytyzującemu. Struktura osnowy metalowej była ferrytyczna z niewielkim udziałem perlitu (2 %). Rezult aty próby rozciągania wyżarzonego żeliwa pozwoliły zakwalifikować go do gatunku ENGJS-400-18. 52 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Próbki, wycięte z dolnych części wlewków, hartowano z przemianą izotermiczną z temperatury T = 950 i 830 o C i wygrzewano w czasie = 60 min, po czym podchładzano do temperatury T pi = 400250 o C i wytrzymywano w kąpieli solnej w czasie pi = 15240 min. Do temperatury otoczenia (ok. 20 o C) dochładzano w oleju hartowniczym. Udział austenitu szczątkowego V, parametry sieci krystalicznej austenitu a i ferrytu a wyznaczono z badania rentegenograficznego na zgładach metalograficznych, wykorzystując wzory zawarte w pracy [4]. 3. WYNIKI BADAŃ Udział objętościowy austenitu szczątkowego V (nieprzemienionego, lecz wzbogaconego w węgiel) w osnowie żeliwa ADI przedstawiono na rys.1. b) wego, % Udział austenitu szczątko wego, % Udział austenitu szczątko a) Cz as pi , m in T ra mp Te tu era o , pi C Cz as p i, m in a tur o , C T pi era mp Te Rys.1. Wpływ temperatury T pi i czasu pi przemiany izotermicznej na udział austenitu V w żeliwie ADI, hartowanego z temperatury T = 950 oC (a) i 830 oC (b) Fig.1. Influence of temperature T A and time A of isothermal transformation on volume fraction of retained austenite V in ADI, hardened from temperatures T = 950 oC (a) and 830 oC (b) Udział austenitu szczątkowego V w osnowie żeliwa ADI jest zależny od temperatury austenityzowania T, temperatury Tpi i czasu pi przemiany izotermicznej. Podwyższanie temperatury T powoduje, że udział fazy w osnowie się zwiększa. Po hartowaniu z temperatury T = 950 o C udział w żeliwie austenitu szczątkowego V 45 %, a po hartowaniu z temperatury T = 830 o C - V 35 %. Wygrzewanie w zakresie temperatury T pi = 400350 o C doprowadziło do największego udziału austenitu szczątkowego w osnowie żeliwa ADI. W zakresie temperatury 53 Tpi = 300250 o C wartości V są zdecydowanie mniejsze, co jest wynikiem różnej kinetyki rozpadu przechłodzonego austenitu w górnym i dolnym zakresie przemiany bainitycznej. Austenityzowanie w temperaturze T = 950 o C doprowadziło do wzbogacenia austeo A nitu w węgiel do zawartości C A γ 1,05 %, a w temperaturze T = 830 C – C γ 0,65 %. Wzbogacenie osnowy żeliwa węglem, pochodzącym z wydzieleń grafit owych, zwiększa trwałość przechłodzonego austenitu podczas izotermicznej przemiany bain itycznej i zmienia jej kinetykę. Zmiany zawartości węgla w austenicie szczątkowym C w zależności od temperatury Tpi i czasu pi przemiany izotermicznej przedstawiono na rys. 2. Zawartość węgla w au stenicie żeliwa ADI wyznaczono ze wzoru podanego w pracy [4]. Wyliczenia są oparte na wartości parametrów sieci przestrzennej a . b) nicie, % Zawartość węgla w auste nicie, % Zawartość węgla w auste a) Cz Cz as p i, m in e mp Te o , C T pi ura rat as p i, m in a tur era o , C T pi mp Te Rys.2. Wpływ temperatury T pi i czasu pi przemiany izotermicznej na zawartość węgla w austenicie szczątkowym C w żeliwie ADI, hartowanego z temperatury T = 950 oC (a) i 830 oC (b) Fig.2. Influence of temperature T A and time A of isothermal transformation on carbon concentration in retained austenite C of ADI, hardened from temperatures T = 950 oC (a) and 830 o C (b) Na parametr sieci austenitu a i związane z nim stężenie węgla C nie oddziałuje znacząco temperatura austenityzowania T . Na ogół temperatura T pi w zakresie przemiany w górny bainit, w przyjętym do badań czasie pi , nie wpływa zasadniczno na stężenie węgla w fazie . Natomiast w zakresie przemiany w dolny bainit wartości C wyraźnie się różnią. W miarę przedłużania czasu pi przemiany izotermicznej zawartość węgla w fazie ciągle się zwiększa. Zmiany cząstkowej zawartości węgla w fazie w osnowie żeliwa ADI, pod wpływem czasu pi przemiany izotermicznej i przyjętych do badań w zakresie temperatur T pi , przedstawiono na rys.3. 54 ARCHIWUM ODLEWNICTWA W osnowie austenit szczątkowy powstały podczas wytrzymywania żeliwa w za kresie temperatury Tpi = 400250 o C, wykazuje zmienne wartości cząstkowej zawartości węgla C Cγ , zależnie od temperatury austenityzowania oraz parametrów przemiany izotermicznej. Wartości cząstkowej zawartości węgla w austenicie szczątkowym osnowy są iloczynem udziału objętościowego fazy i zawartości w niej węgla C, podzielone przez 100. Maksymalne wartości C Cγ = 0,620,69 % C charakteryzują fazę , powstałą po wygrzewaniu w zakresie przemiany w górny bainit w temperaturze T pi = 400 o C i po austenityzowaniu w temperaturze T = 950 o C, a minimalne wartości C Cγ = 0,200,30 % C – po wygrzewaniu w zakresie dolnego bainitu (T pi = 250 o C). Podobnym zmianom podlega cząstkowa zawartość węgla w fazie w osnowie żeliwa ADI hartowanego z temperatury T = 830 o C, przy czym wartości C Cγ wynoszą odpowiednio: 0,460,52 % C i 0,120,14 % C. Przedłużanie czasu pi przyczynia się do zmniejszenia cząstkowej zawartości węgla w austenicie szczątkowym w osnowie żeliwa ADI. b) Cząstkowa zawartość węgla C Cząstkowa zawartość C C węgla C , % ,% a) Cz as o , C pi aT p i, m in mp Te tur era Cz as p i, m in a tur era o , C T pi mp Te Rys.3. Wpływ temperatury T pi i czasu pi przemiany izotermicznej na cząstkową zawartość węgla C w austenicie C γ osnowy żeliwa ADI, hartowanego z temperatury T = 950 oC (a) i 830 oC (b) Fig. 3. Influence of temperature T A and time A of isothermal transformation on particle contents of C carbon in retained austenite C γ for matrix in ADI, hardened from temperatures T = 950 oC (a) and 830 oC (b) Cząstkowa zawartość węgla w pozostałych produktach reakcji bainitycznej, a mianowicie; ferrycie bainitycznym i powstałym ewentualnie martenzycie, w zależności od parametrów hartowania z przemianą izotermiczną przedstawiono na rys.4. Cząstkowa zawartość węgla jest sumą cząstkowej zawartości węgla w ferrycie bainitycznym lub ferrycie 55 bainitycznym i fazie węglikowej oraz cząstkowej zawartości węgla w martenzycie. Wartości tego wskaźnika są różnicą pomiędzy równowagową zawartością węgla przechłodzonego C austenitu C A γ , a cząstkową zawartością węgla austenitu szczątkowego C γ . b) C C C Wskaźnik CB +CM , % C Wskaźnik CB +CM , % a) Cz as pi , m ura rat in T pe em o , C T pi Cz as p i, m in a tur era o , C T pi mp Te Rys.4. Wpływ temperatury T pi i czasu pi przemiany izotermicznej na cząstkową zawartość węgla Fig.4. C w ferrycie bainitycznym i martenzycie C C B C M w osnowie żeliwa ADI, hartowanym o o z temperatury T = 950 C (a) i 830 C (b) Influence of temperature T A and time A of isothermal transformation on particle contents of C carbon in bainitic ferrite and martensite C C B C M in ADI, hardened from temperatures T = 950 oC (a) and 830 oC (b) Z badań wynika, że wzrost temperatury austenityzowania T przyczynia się do zwiększenia cząstkowej zawartości węgla przesyconego ferrytu bainitycznego i martenzytu w osnowie żeliwa ADI, mimo, że w miarę przedłużania czasu pi maleje udział martenzytu w osnowie. Maksymalne wartości wskaźnika C CB C CM po przemianie izotermicznej w temperaturze Tpi = 400 o C należą do przedziału 0,750,85 % C. Można zatem stwierdzić wprost, że w miarę obniżenia temperatury T pi cząstkowa zawartość węgla się zwiększa. Oddziaływanie czasu pi jest różne. W przypadku temperatury T = 950 o C przedłużenie czasu pi zwiększa wartość wskaźnika C CB C CM , ale dla temperatury T =830 o C są one zdecydowanie mniejsze. Po austenityzowaniu w tej temperaturze, przedłużanie czasu pi , nie wpływa na cząstkową zawartość węgla w ferrycie bainitycznym i martenzycie za wyjątkiem temp eratury Tpi = 400 o C. Maksymalne wartości wskaźnika C CB C CM po przemianie w temperaturze Tpi = 250 o C należą do przedziału 0,510,53 % C, a minimalne dla temperatury Tpi = 400 o C – 0,100,28 % C . Zwiększenie tych wartości, w miarę przedłużania czasu wygrzewania wynika z rozpadu wysokowęglowego austenitu na ferryt i fazę węglikową (II sta56 ARCHIWUM ODLEWNICTWA dium reakcji bainitycznej). Ten fakt jest dobrze zauważalny po hartowaniu z temperatury T = 950 o C i wygrzewaniu w zakresie górnego i dolnego bainitu po przekroczeniu czasu pi = 120 min. Wpływ warunków hartowania z przemianą izotermiczną na parametr sieci krystalicznej ferrytu bainitycznego a pokazano na rys. 5. b) -1 -1 Parametr sieci ferrytu a * 10 , nm Parametr sieci ferrytu a * 10 , nm a) Cz as pi , Rys. 5. Fig. 5. m in mp Te a tur era o , C T pi Cz as p i, m in a tur era o , C T pi mp Te Wpływ temperatury T pi i czasu pi przemiany izotermicznej na parametr sieci przestrzennej ferrytu bainitycznego a żeliwa ADI, hartowanego z temperatury T = 950 oC (a) i 830 oC (b) Influence of temperature T A and time A of isothermal transformation on lattice p arameter of bainitic ferrite a in ADI, hardened from temperatures T = 950 oC (a) and 830 oC (b) Temperatura zarówno austenityzowania jak i czas wytrzymywania w zakresie przemiany izotermicznej nie wpływa na parametr sieci przestrzennej fazy . Parametr a, w przyjętych do badań warunkach hartowania z przemianą izotermiczną, zawiera się w przedziale 0,28540,2867 nm. Porównanie wartości parametru ferrytu bainitycznego a z parametrem ferrytu zawierającego ok. 2,6 % Si (a = 0,2856 nm) daje podstawę do stwierdzenia, że utworzony podczas przemiany izotermicznej ferryt bainityczny jest przesycony węglem. Jednak w sposób znaczący nie decyduje o tym temperatura austenityzowania T i temperatura Tpi przemiany izotermicznej. W większym lub mniejszym stopniu na przes ycenie węglem wpływa czas pi zależnie od stadium przemiany. Wykresy przedstawione na rys. 15 wykonano za pomocą programu STATISTICA. 57 4. ZAKOŃCZENIE Żeliwo sferoidalne bezpośrednio po zakrzepnięciu ma budowę składającą się z dendrytów austenitu i ziarn eutektycznych, w których austenit otacza kulkowe wydzielenia grafitowe znajdujące się w środku ziarn. Mikrosegregacja pierwiastków st opowych jest zjawiskiem występującym w ziarnach eutektycznych i dendrytach [5]. Izotermiczna przemiana przechłodzonego austenitu w żeliwie, w zakresie bainitycznym, rozpoczyna się w każdym ziarnie eutektycznym w austenicie przylegającym do grafitu, a kończy się na granicy ziarn. Po przemianie austenitu w zakresie bainitycznym, po austenityzowaniu w temperaturze T = 950 o C struktura osnowy składa się, w zależności od temperatury T pi i czasu pi , z ferrytu bainitycznego, austenitu szczątkowego, fazy węglikowej i obszarów austenityczno-martenzytycznych oraz martenzytu powstałego w początkowym okresie wygrzewania. Udział austenitu szczątkowego, jego nasycenie węglem i cząstkowa zawartość węgla w austenicie oraz w pozostałych składnikach struktury osnowy (ferryt bainityc zny, faza węglikowa i ewentualnie martenzyt), a także parametr ferrytu bainityczn ego zależą od parametrów przemiany izotermicznej. Austenit żeliwa w temperaturze T = 950 o C, przed przemianą izotermiczną, zawierał CA γ 1,05 % węgla. Po przemianie w zależności od parametrów (T pi , pi ) austenit szczątkowy ma maksymalną zawartość węgla około 1,6 %. Przedłużenie czas u pi , powoduje zmniejszenie udziału wysokowęglowej fazy w osnowie żeliwa ADI, wynikającego z jej rozpadu na ferryt i fazę węglikową. Obniżenie temperatury austenityzowania wywołało zmniejszenie zawartości węA gla C γ w osnowie żeliwa. W temperaturze T = 830 o C austenit zawierał około 0,65 % węgla. Po przemianie izotermicznej tego austenitu struktura osnowy składa się z ferrytu bainitycznego, austenitu szczątkowego i fazy węglikowej oraz w po czątkowych czasach – martenzytu. W środku ziarn eutektycznych, a w szczególności między środkiem i granicą jest również, o niewielkim udziale, wolny ferryt. W osnowie tej nie ma na granicach ziarn eutektycznych obszarów austen ityczno-martenzytycznych tak, jak w osnowie austenityzowanej w temperaturze T = 950 o C. Fizykochemiczny stan osnowy żeliwa ADI został określony; właściwościami fizycznymi fazy i , parametrami sieci krystalicznej a i a, zawartością węgla w osnowie i fazie . Wszystkie te cechy kształtują nanostrukturę osnowy, co wywiera wpływ na poziom wytrzymałości i plastyczności żeliwa ADI. Na stan fizykochemiczny skła dników struktury oddziałuje temperatura T pi i czas pi przemiany izotermicznej, jak również, lecz w mniejszym stopniu, nasycenie austenitu przed jego przemianą. Temperatura austenityzowania T wpływa na skład austenityczno-ferrytycznej osnowy żeliwa, a także na cząstkową zawartość węgla w fazie γ C Cγ i równocześnie na cząstkową zawartość węgla tenzytem C CB C CM . 58 w ferrycie bainitycznym wraz z fazą węglikową i mar- ARCHIWUM ODLEWNICTWA Gdy izotermiczna przemiana przechłodzonego austenitu postępuje w ziarnach eutektycznych, w ich obszarach środkowych może lub już rozpada się wysokowęglowy austenit, znajdujący się między igłami, płytkami ferrytu bainitycznego. Węgiel pochodzący z tego samego austenitu przemieszcza się najpierw do zarodków, a później do rosnącej fazy węglikowej. W ten sposób następuje zwiększenie zawartości węgla w dwufazowym bainicie przy malejącym udziale wysokowęglowego austenitu w osn owie żeliwa (II stadium przemiany). W niższym zakresie temperatur T pi w początkowym stadium przemiany izotermicznej cząstkowa zawartość węgla CCB CCM w zasadzie odnosi się do dolnego bainitu i martenzytu. Natomiast w wyższym zakresie temperatur Tpi – ferrytu bainitycznego i ewentualnie fazy węglikowej oraz martenzytu. W miarę przedłużenia czasu udział martenzytu, o znaczącej zawartości węgla, odpowiadającej zawartości równowagowego austenitu, maleje i dlatego cząstkowa zawartość węgla przy wydłużonych czasach przemiany (II stadium) uwzględnia tylko dolny lub górny baint, zależnie od zakresu temperatur T pi . Wytrzymywanie żeliwa w zakresie izotermicznej przemiany bainitycznej powoduje powstanie w osnowie struktury ferrytyczno-austenitycznej. Ponadto w osnowie może powstać martenzyt lub faza węglikowa przy krótkich lub dłuższych wartościach pi . Natomiast optymalne parametry przemiany izotermicznej powinny gwara ntować osnowę ausferrytyczną z jak najmniejszym udziałem martenzytu i fazy węglikowej. Węgliki i Fe3 C w ferrycie bainitycznym, powstałym w zakresie dolnego b ainitu powodują wzrost wytrzymałości i twardości żeliwa, przy czym decydujący jest ich stopień dyspersji. Sumaryczny wpływ węglików i przesycenie ferrytu węglem umożliwia osiągnięcie dużej wytrzymałości żeliwa ADI przekraczającej 1200 MPa. Stąd żeliwo ADI z dolnym ausferrytem jest zaliczane do gatunków o dużej wytrzymałości. Program Ramowy Unii Europejskiej – Granty, priorytet trzeci pt. „ Nanotechnologie i nanonauki, materiały funkcjonalne oparte na wiedzy i nowe procesy produkcyjne i urządzenia” przewiduje wykorzystanie inżynierii do rozwoju materiałów. Zatem żeliwo ADI może więc stanowić inżynierski materiał konstrukcyjny, dla którego optymalizacja składu chemicznego i nano- oraz mezostruktury za pomocą obróbki cieplnej, jest ukierunkowana na zastosowanie w systemach produkcyjnych przemysłu. LITERATURA [1] E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa. Wybrane zagadnienia. Archiwum Odlewnictwa PAN – Oddział Katowice, Monografia nr 1M, (2001). [2] C. Podrzucki: Problemy produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego ADI. Przegląd Odlewnictwa, nr 10, s.260, (1996). [3] D. Myszka, M. Kaczorowski: Nowe metody obróbki cieplnej żeliwa ADI. Międzynarodowa Konferencja Naukowa nt. „Żeliwo ADI- oferta odlewnictwa dla konstruktorów i użytkowników odlewów”. Instytut Odlewnictwa Kraków, 2324.09.2000 r, s.I/43. 59 [4] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoida lnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej. Rozprawy nr 95. ATR Bydgoszcz, (1999). [5] S. Pietrowski: Żeliwo sferoidalne o strukturze ferrytu bainitycznego z austen item lub bainitycznej. Archiwum Nauki o Materiałach, t.18, nr 4, s. 253, (1997). [6] W. Dziadur: Wpływ ilości i morfologii austenitu nieprzemienionego na własności mechaniczne żeliwa sferoidalnego o osnowie bainitycznej (ADI). Proceeding of the 11th International Scientific Conference „Achievements in Mechanical and Materials Engineering”AMME’ 2002, Gliwice-Zakopane, s.179, (2002). SOME ASPECTS OF STRUCTURE OPTIMIZATION IN ADI SUMMARY The results of study of in ADI structure are presented. On bases of testing X-ray diffraction and carbon distribution of ADI matrix structure after hardening from austenitising temperatures T = 950 o C and 830 o C and austempering temperatures TA = 400250 o C of time A = 15240 min. were analysed. It was demonstrated that carbon contents in matrix structure elements influence on parameters of austempering. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 60
