Index of /rozprawy2/11504

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława STASZICA w Krakowie WYDZIAŁ ODLEWNICTWA Katedra Inżynierii Stopów i Kompozytów Odlewniczych. Rozprawa doktorska na temat: „ŻELIWO AUSFERRYTYCZNE O ZWIĘKSZONYCH WŁAŚCIWOŚCIACH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH I PLASTYCZNYCH, PRZEZNACZONE NA ODLEWY DO PRACY W WARUNKACH DYNAMICZNYCH OBCIĄŻEŃ”. Autor: mgr inż. Marek Sokolnicki. Promotor: prof. dr hab. inż. Edward Guzik. Kraków 2019 0.

(2) 1.. Wprowadzenie. 2. 2. Żeliwo sferoidalne jako tworzywo wyjściowe do zabiegu hartowania z przemianą izotermiczną. 13. 2.1. Kształtowanie się grafitu kulkowego w żeliwie. 15. 2.2. Ogólny proces sferoidyzacji i modyfikacji żeliwa.. 19. 3. Przegląd literatury w zakresie składu chemicznego żeliwa ADI. 26. 4. Klasyfikacja żeliwa ADI. 29. 5. Kształtowanie mikrostruktury żeliwa ADI. 32. 5.1. Ogólny schemat wytwarzania żeliwa ADI. 33. 5.2. Austenityzacja. 34. 5.3. Hartowanie izotermiczne w solach. 39. 5.4. Wpływ parametrów procesu obróbki cieplnej i składu chemicznego na właściwości mechaniczne żeliwa ADI. 43. 5.5. Badanie ausferrytu w ujemnych warunkach temperatury. 47. 5.6. Zjawisko TRIP. 49. 5.7. Oddziaływanie podwyższonej temperatury na ausferryt. 49. 6. Podsumowanie 6.1 Uzasadnienie podjęcia tematu pracy 7. Badania własne. 50 50 59. 7.1. Teza i cel pracy. 59. 7.2. Zakres prowadzonych badań. 60. 7.3. Przygotowanie materiału do badań. 61. 7.4. Przygotowanie wsadu metalowego. 62. 7.5. Przygotowanie form. 65. 7.6. Planowanie czynnikowe. 65. 7.7. Zalewanie form. 66. 7.8. Przygotowanie próbek. 67. 7.9. Obróbka cieplna próbek z żeliwa sferoidalnego. 70. 7.10 Badanie właściwości mechanicznych z próbek. 72. 7.11 Badania struktury. 72. 7.12 Badania składu chemicznego żeliwa. 73. 8. Wyniki z przeprowadzonych badań. 73. 9. Wnioski. 104. 10. Literatura. 105 1.

(3) 1. Wprowadzenie Żeliwo jest to stop żelaza z węglem + (Si, Mn, S, P), a nieraz z dodatkami innych pierwiastków ( np. Cr, Ni, V, Al…- żeliwo stopowe) krystalizujący z wydzieleniem eutektyki: a) Grafitowej- Fe(ᵧ) + grafit bądź, b) Węglikowej - Fe(ᵧ) + M3C; - Fe(ᵧ) + M7C3- Fe(ᵧ) + MC; - Fe(ᵧ) + M4C3; gdzie M – pierwiastek taki jak; Fe, Mn, ew. Cr, Mo, V, Al., itd. c) Grafitowej + węglikowej. Nazwa żeliwo ADI [1, 2, 3 ] wywodzi się od słów Austempered Ductile Iron. Słowo Austempering powstało z połączenia dwóch słów astenitizing (austenityzacja) + tempering (odpuszczanie). Żeliwo ADI otrzymuje się w wyniku przeprowadzenia zabiegu obróbki cieplnej - austenityzacji i hartowania izotermicznego. W żeliwie sferoidalnym o składzie około eutektycznym powstaje. austenit nasycony węglem w temperaturze poniżej. przemiany eutektycznej (około 2,1 % mas.) . Po przeprowadzeniu zabiegów obróbki cieplnej otrzymujemy strukturę żeliwa składającą się z ausferrytu [4]. Ausferryt - jest osnową metalową żeliwa sferoidalnego ADI po wykonaniu zabiegów austenityzowania i hartowania z przemianą izotermiczną, złożoną. z rozgałęzionych. płytek ferrytu i austenitu, obok występujących wydzieleń kulek grafitu. [1, 5, 6, 7]. Podstawą rozważań procesu krystalizacji żeliwa i przemian fazowych zachodzących w stanie stałym jest układ żelazo – węgiel (Fe-C). przedstawiony na rys 1. Są to dwa układy przesunięte względem siebie: - stabilny gdzie przedstawiono równowagę stałą miedzy żelazem a węglem który krystalizuje w postaci grafitu., - metastabilny (nietrwały) przedstawiający równowagę pomiędzy żelazem a węglem który występuje w postaci związanej w cementyt (Fe3C). Ferryt jest to międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α. Ferryt ma właściwości ferromagnetyczne. Jego twardość wynosi 80 - 90 jednostek HB, wydłużenie wynosi A do 40 % , wytrzymałość na rozciąganie 350 do 500 MPa. Budowa - sieć regularna, przestrzennie centrowana typu A2. Rozpuszczalność węgla w żelazie α jest bardzo mała i wynosi 0,022 % mas. w temperaturze 723 o C i maleje do tysięcznych części w temperaturze otoczenia. 2.

(4) Austenit jest to międzywęzłowy stały roztwór węgla w żelazie γ. Sieć regularna ściennie centrowana typu A1. Twardość 200 jednostek HB, wydłużenie A wynosi 40 do 60 %, wytrzymałość Rm (690-790 MPa) i jest paramagnetyczny. W temperaturze eutektycznej rozpuszczalność C w austenicie wynosi 2.08 % lub 2,11%, w punkcie E’ lub E i obniża się do 0,68 % lub 0,77 % w punkcie S’ i S w temperaturze przemiany eutoktoidalnej układu żelazowęgiel (rys. 1). Austenit występuje w żeliwie powyżej temperatury przemiany eutoktoidalnej. Pierwiastki stopowe takie jak Ni, Mn obniżają temperaturę przemiany i austenit może występować w strukturze żeliwa nawet poniżej temperatury pokojowej. Martenzyt jest to silnie przesycony węglem stały międzywęzłowy roztwór C w żelazie α o sieci tetragonalnej. Powstaje wskutek bezdyfuzyjnej przemiany austenitu. Temperatura zachodzenia przemiany oznacza się ją symbolem MS . Temperatura ta leży poniżej przemiany bainitycznej. Zwiększając w roztworze zawartość węgla, manganu, niklu, chromu, molibdenu obniża się tą temperaturę. Temperaturę końca zachodzenia przemiany oznacza się symbolem MF. Cementyt popularnie nazwany węglikiem żelaza.. Jego wzór stechiometryczny to. Fe3C. Krystalizuje w układzie rombowym. Skład chemiczny „cementytu” to 6,67% mas. węgla i 93,33 Fe. Twardość cementytu wynosi około 800 jednostek HB. Fe3C ulega rozpadowi w podwyższonej temperaturze na ferryt lub austenit i węgiel. Temperatura topienia 1600 o C. W temperaturze 210-215 przechodzi w stan magnetyczny. Grafit ma budowę heksagonalną i składa się z warstw sześcioboków przesuniętych między sobą że co drugi atom leży nad środkiem sześcioboku złożonego z atomów węgla z warstwy poprzedniej. W płaskich warstwach między atomami węgla istnieją silne wiązania homeopolarne. Energia wiązań to 420 – 500 kJ/mol. Pomiędzy warstwami są słabe wiązania molekularme podobne do wiązań Van der Vaalsa 4- 10 kJ/mol. Grafit posiada dużą anizotropię właściwości mechanicznych [8] słabe właściwości w kierunku [0001], niż w kierunku [1010]. Jest miękkim składnikiem twardość 13-18 jednostek HB. Niska twardość wynika z słabych wiązań miedzy warstwami. Perlit jest mieszaniną eutoktoidalnego ferrytu i cementytu, oraz ma budowę płytkową. Stosunek grubości płytek cementytu do płytek ferrytu wynosi ok. 1:3 [9] Właściwości mechaniczne perlitu zależą od grubości płytek ferrytu, cementytu (w perlicie płytkowym), bądź od średnicy kulek cementytu (w sferoidycie) [9] Rm =700 do 1200 MPa , A 10= ok. 8 % Twardość HBW ok. jednostek 250 . Bainit to produkt dyfuzyjnej przemiany austenitu. Przemiana austenitu w bainit zachodzi w zakresie temperatury 550 ÷ 200 o C. Rozróżnia się bainit górny i dolny. Bainit górny 3.

(5) powstaje w górnym zakresie przedziału temperatury, a dolny w dolnym. Bainit górny składa się z rozgałęzionych płytek lub ziaren ferrytu o nieregularnym kształcie rozdzielonych wydzieleniami. cementytu.. Bainit. dolny to. płytki. ferrytu. przesyconego. węglem,. z wydzieleniami cementytu bądź węglika ε. Węglik Fe3C powstaje wewnątrz płytek ferrytu w wyniku nadmiaru węgla w austenicie. Taka morfologia bainitu jest typowa dla stali. W żeliwie szarym ze względu na wyższą zawartość krzemu zwykle cementyt nie występuje, a obserwuje się wydzielenia węglika ε (Fe2.2C) . Struktura może składać się z ferrytu bainitycznego i wysokowęglowego austenitu (szczątkowego) [9].. Rys. 1. Układ równowagi fazowej Fe-C ; FeCgrafit linia cienka, Fe-Fe3C linia gruba gdzie L –roztwór ciekły, δ - ferryt wysokotemperaturowy, α ferryt, γ- austenit, Gr- grafit. [10]. 4.

(6) Rys. 2. Schemat ogólnej klasyfikacji żeliwa [10] Żeliwo ADI jest jednym z nowoczesnych tworzyw odlewniczych. Posiada właściwości mechaniczne przewyższające żeliwo sferoidalne. Jest odporne na ścieranie i ma znaczne właściwości plastyczne. Żeliwo ADI znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle. Wykonuje się z niego koła zębate, wały korbowe, elementy do układów hamulcowych w kolejnictwie i wiele innych części. Materiał ten znalazł zastosowanie w produkcji odlewów dla różnych gałęzi przemysłu np. : - przemysł motoryzacyjny, - przemysł rolniczy, - przemysł kolejowy, - przemysł zbrojeniowy, - przemysł górniczy, - przemysł budowlany i inne. Metoda otrzymywania żeliwa sferoidalnego o bainityczno- austenitycznej strukturze osnowy została opracowana i opatentowana w latach 70 XX wieku przez firmę Kymi Kymmene z Finlandii i Generale Motors z USA. Nr patentu 3.860.457 z 1975 r „A ductile iron and method of making it” [11]. Żeliwo o strukturze bainitycznej otrzymywano przy użyciu w wytopach składników stopowych. 5.

(7) Używano do tego celu molibdenu i niklu których zawartość w żeliwie wynosiła odpowiednio od 0,5 do 1,0 % i 3,2 do 7 %. Gdy żeliwo zawiera odpowiednio wysoką zawartość dodatków stopowych przemiana bainityczna. w stopie zachodzi już przy niewielkiej. szybkości. chłodzenia. Strukturę bainityczną otrzymywano po wybiciu odlewu z formy. Stosując dodatki stopowe uzyskiwano strukturę bainityczną w odlewach o dużej grubości ścianek. Wadą tego sposobu. produkcji odlewów jest wysoki koszt dodatków stopowych. oraz konieczność. zachowywania odpowiedniego stosunku Ni do Mo. Stosunek ten zmienia się wraz z grubością ścianek odlewu. Obecnie żeliwo sferoidalne ausferrytyczne ADI, otrzymuje się wykonując zabiegi obróbki cieplnej austenityzacji, a następnie hartowania z przemianą izotermiczną odlewów z żeliwa niskostopowego. W ostatnim okresie obserwuje się stosowanie. konwersji części spawanych. i odkuwek ze stali na odlewy z żeliwa ADI. Żeliwem tym zajmują się liczni badacze zagraniczni i krajowi. W Polsce prace badawcze żeliwa ADI są prowadzone w wielu ośrodkach naukowych. Swoje prace publikowali tacy naukowcy jak; S. Dymski, M. Kaczorowski, D. Myszka, A. Krzyńska ,T. Giętka, A. Kochański, P. Skoczylas ,Z. Ławrynowicz, L. Olejnik, M. Kłebczyk. S. Bombiński, T. Szykowny, E. Guzik ,A. Kowalski , A. Nowak. Dziełem ich pracy było wiele publikacji nt. żeliwa ADI.. Zajmowano się badaniem mikrostruktury,. warunkami technologicznymi pozwalającymi opracować m. in. tzw. „technologiczne okno procesu.”. 6.

(8) Na rys. 3 zestawiono, dla różnych tworzyw konstrukcyjnych odporności na ścieranie w funkcji twardości HRC.. Rys. 3. Porównanie odporności na zużycie ścierne: [12] (1) - żeliwo ADI, (2) - żeliwo sferoidalne ulepszone cieplnie, (3) - stali poddana hartowaniu z przemianą izotermiczną, (4) - stal ulepszona cieplnie. Odporność na zużycie ścierne żeliwa ADI jest większa, w porównaniu do innych materiałów poddawanych obróbce cieplnej. Powodem występowania większej odporności na zużycie ścierne jest przemiana austenitu niestabilnego mechanicznie w martenzyt, powodujący tym samym miejscowe utwardzenie. Na rys. 4 i 5 oraz w tabeli 1 pokazano zalety żeliwa ausferytycznego, w porównaniu do innych tworzyw konstrukcyjnych. 7.

(9) Rys. 4. Porównanie masy różnych materiałów w odniesieniu do wartości Rp0,2, gdzie: 1- odlew Al, 2- odkuwka Al, 3- odlewy staliwne, 4- żeliwo sferoidalne standardowe, 5- odkuwka stalowa, 6- stal obrobiona cieplnie, 7- żeliwo ADI; dla odkuwki stalowej przyjęto tu wartość stosunku masa/Rp0,2 = 1 [10] Ten sam odlew wykonany z żeliwa ADI w porównaniu do odlewów zaprojektowanych z różnych materiałów może być znacznie odchudzony. Ma to ogromne znaczenie przy produkcji części dla przemysłu samochodowego.. Rys. 5. Porównanie kosztów wytwarzania różnych materiałów w odniesieniu do wartości Rp0,2, gdzie 1- odlew Al, 2- odkuwka Al, 3- odlewy staliwne, 4- żeliwo sferoidalne standardowe, 5- odkuwka stalowa, 6- stal obrobiona cieplnie, 7- żeliwo ADI; dla odkuwki stalowej przyjęto tu wartość stosunku masa/Rp0,2 = 1 [10] 8.

(10) Koszt wykonania odlewu z żeliwa ADI jest znacznie mniejszy niż przy produkcji tego samego odlewu z innych tworzyw. Tabela. 1.. Porównanie. zużycia. energii. w. procesie. wytwarzania. elementów. ze stal i żeliwa ADI – przykład 1 tony przekładni [10]. Porównanie kosztów wytwarzania części maszyn w odniesieniu do siły, niszczącej próbkę w próbie na rozciąganie: - żeliwo szare bądź stal - żeliwo ciągliwe - żeliwo sferoidalne - żeliwo ADI -odlewy z aluminium. - 6,0 $/N/mm2 = 5,11€, - 5,0 $/N/mm2 = 4,26€, - 3,4 $/N/mm2 = 2,89€, - 2,5 $/N/mm2 = 2,12€, - 40,0 $/N/mm2 = 34,08€.. Światowe tendencje rozwojowe tworzyw odlewniczych, w tym żeliwa ADI zaobserwowano na rys. 6. Wśród odlewniczych stopów, żeliwo sferoidalne jest głównym tworzywem odlewniczym stosowanym w produkcji odlewów. Prognozy na drugą dekadę XXI w. wykazują tendencję wzrastającą, osiągając maksymalną wartość w 2016 r. 9.

(11) Rys. 6. Wielkość produkcji odlewów w okresie do 2009 roku oraz prognoza na najbliższe 10 lat w USA; [13] Szczególnie dynamicznie rozwijało się żeliwo ADI (rys. 6 i 7). W 2010 r. produkcję światową oceniono na poziomie 300 tys. ton.[12] Prognozowaną dynamikę wzrostu produkcji żeliwa ADI. Rys. 7. Szacunkowa produkcja wyrobów z żeliwa ADI – prognoza z 2002 rok. [14]. 10.

(12) Rozwój produkcji odlewów z żeliwa ADI w USA i na świecie do 2020 r. przedstawiono na rys. 8, zaś prognozy rozwoju poszczególnych tworzyw odlewniczych, w USA na rys. 9. Rys. 8. Prognoza rozwoju produkcji ADI w USA i w innych krajach odlewów z żeliwa ADI [15] Jednostkowy koszt wytworzenia odlewu z żeliwa sferoidalnego i ADI jest podobny, zaś cena odlewów ż żeliwa ADI jest o 60 % wyższa co pokazano na rys. 10 w formie wykresu słupkowego.. Rys.9. Prognoza rozwoju tworzyw odlewniczych w USA [16]. 11.

(13) Rys. 10. Koszt wytworzenia 1 tony wyrobu z żeliwa sferoidalnego standardowego oraz żeliwa ADI i stalowej odkuwki, uwzględniając poszczególne składowe kosztów; największy zysk osiąga się przy produkcji odlewów z żeliwa ADI [17] Główne obszary rynkowe odlewów z żeliwa ADI (rys. 11) to samochody osobowe (32%) górnictwo 23 % , maszyny rolnicze 16 %, elementy elektrowni wiatrowych 11 %, samochody ciężarowe 10%, kolejnictwo 2%.. Rys. 11. Sektory rynkowe odlewów z żeliwa ADI [18]. 12.

(14) 2. Żeliwo sferoidalne jako tworzywo wyjściowe do zabiegu hartowania z przemianą izotermiczną Żeliwo sferoidalne i jego jakość metalurgiczna ma bardzo duże znaczenie jako materiał wyjściowy do produkcji żeliwa ADI. Najważniejsze parametry to mikrostruktura, liczba wydzieleń grafitowych, brak węglików. Na wszystkie te parametry ma wpływ zdolność do zarodkowania żeliwa sferoidalnego. Struktura odlewu żeliwa sferoidalnego kształtuje się podczas krystalizacji i jego stygnięcia. W wyniku przebiegu tego procesu pojawia się eutektyka grafitowa będąca mieszaniną austenitu i grafitu. Żeliwo powinno charakteryzować się odpowiednim składem chemicznym. Węgiel C powinien zawierać się w przedziale 3,4-3,8% i jest dobierany w zależności od grubości ścianki, tj. 3,2 % C dla ścianek o grubości 100 mm, jego zawartość zwiększa się wraz z obniżaniem grubości ścianki odlewu. Dla ścianek o grubości 5-10 mm stosuje się zawartość węgla mieszczącego się w zakresie 3,7 -3,8 % C. Należy pamiętać, że zbyt duża zawartość C w żeliwie i wysokiej temperaturze zalewania może prowadzić do występowania tzw. „piany grafitowej’(żeliwo nadeutektyczne). Zawartość C po zabiegu sferoidyzowania i modyfikowania żeliwa ulega obniżeniu o 0,1-0,3 %. Zawartość Si w żeliwie powinna zawierać się w zakresie 1,9 % dla odlewów o grubych ściankach a 2,8-2,9 %. dla odlewów cienkościennych . Zawartość Si w żeliwie sferoidalnym po zabiegach. sferoidyzowania zaprawą krzemowo-magnezową FeSIMg6 i modyfikowania modyfikatorami na bazie żelazo krzemu zwiększa się o około 1 %. W trakcie wykonywania. zabiegu. sferoidyzowania żeliwo ulega odsiarczeniu za pomocą wprowadzonego magnezu z zaprawy. Zawartość siarki maleje i powinna wynosić max 0,01 %. Większe zawartości siarki w żeliwie powodują degeneracje grafitu kulkowego w żeliwie. W żeliwie pojawia się magnez Mg, jego zalecana optymalna ilość mieści się w granicach 0,035-0,05%. Duże szybkości stygnięcia odlewy cienkościenne muszą posiadać wysoką zawartość C - mała szybkość stygnięcia (grube przekroje), wówczas żeliwo powinno zawierać niską zawartość węgla. Dla odlewów od których wymaga się dużej plastyczności w ujemnych wartościach temperatury, zawartość Si powinna być mniejsza od 2,3 %. Zawartość Mn w żeliwie wyjściowym powinna być jak najmniejsza dla gatunków ferrytycznych o dużej plastyczności (0,08% – 0,2 %). Dla odlewów o małej plastyczności (osnowa perlityczna) dopuszcza się zawartość Mn nawet do 0,5%. Osnowa metalowa w żeliwie zależy od zawartości wprowadzonych dodatków Cu, Sn, Ni, które maja działanie perlitotwórcze. Osnowa metalowa żeliwa zawierająca perlit, powoduje otrzymanie znacznych właściwości wytrzymałościowych, przy małej plastyczności żeliwa.. 13.

(15) Fosfor dla plastycznych gatunków żeliwa nie powinien przekraczać wartości 0,03 % mas. dla żeliwa sferoidalnego. [19], zaś przy wyższych zawartościach tego pierwiastka. w osnowie pojawiają się wydzielenia niskotopliwej eutektyki fosforowej, która znacznie obniża plastyczność żeliwa. Zawartość siarki w żeliwie wyjściowym winna być jak najmniejsza, zalecana S ≤ 0,01% mas. Zawartość pierwiastków śladowych utrudniających krystalizację grafitu w regularnej postaci kulkowej wg wzoru [20] Sb = 4,4 Ti + 2 As + 2,3 Sn + 5 Sb +290 Pb +370 Bi +1,6 Al. (1). (1). Gdzie: Ti, As …. udział pierwiastków w % masowych. Wartość Sb mniejsza od 1 to udział grafitu regularnego sferoidalnego w osnowie powyżej 85 %.. 14.

(16) 2.1 Kształtowanie się grafitu kulkowego w żeliwie Proces grafityzacji jest to proces zarodkowania i wzrostu kryształów grafitu w stopach żelaza z węglem przebiegający w fazie ciekłej (grafityzacja pierwotna) i stałej. W stanie stałym podczas chłodzenia odlewu następuje zmiana rozpuszczalności węgla wzdłuż linii E’-S’ układu równowagi fazowej stopów Fe-C. W przemianie eutoktoidalnej następuje rozpad austenitu na ferryt i grafit. Grafit narasta na istniejących wydzieleniach. Może zajść przemiana austenitu w perlit. W czasie stygnięcia odlewu w formie ustala się udział ilościowy i rozmiary wydzieleń grafitu oraz charakter osnowy metalowej. Zjawisko powstawania grafitu kulkowego dotychczas nie zostało jednoznacznie wyjaśnione. Zagadnieniu krystalizacji grafitu poświecono wiele prac badawczych [21-25]. Przy temperaturze ciekłego żeliwa z zakresu pomiędzy tst, a temperaturą t mst kąpiel metalowa jest przechłodzona względem temperatury likwidus dla austenitu i grafitu. W początkowym okresie zarodek grafitu kontynuuje wzrost jako faza przedeutektyczna. Wydzielenia grafitu ułatwiają hetrogeniczne zarodkowanie austenitu. Austenit wzrasta i tworzy wraz z grafitem ziarno eutektyczne.W żeliwie sferoidalnym grafit eutektyczny krystalizuje z cieczy. Podczas wzrostu grafitu austenit eutektyczny otacza grafit tworząc wokół niego otoczkę. Dalszy wzrost grafitu następuje w wyniku dyfuzji węgla przez otoczkę austenitu. Średnica otoczki powiększa się wskutek krystalizacji austenitu. Ziarno eutektyczne składa się z grafitu i otoczki austenitu. Na rys. 11 zobrazowano sekwencję wzrostu ziaren eutektycznych z grafitem.. Rys. 12. Sekwencja wzrostu ziaren eutektycznych z grafitem płatkowym (a), wermikularnym (b) i kulkowym (c) [10]. 15.

(17) [9, 26] O postaci grafitu w żeliwie mogą decydować następujące czynniki: - rodzaj i struktura zarodków, - czynniki fizykochemiczne, - warunki wzrostu w kierunkach prostopadłych do płaszczyzn (ścian) kryształów grafitu. Wtrącenia niemetaliczne o sieci krystalicznej regularnej takie jak: MgS, Mg2N2, Mg2Si, MgO sprzyjają powstawaniu grafitu kulkowego. Wtrącenia o sieci heksagonalnej i innej np. taie jak: SiO2, SiO, SiC są zarodkami grafitu płatkowego. Grafit płatkowy i kulkowy mają tę samą heksagonalną sieć krystaliczną. Węglik krzemu SiC występuje w wydzieleniach grafitu płatkowego. Stwierdzono doświadczalnie, że struktura, rodzaj zarodków nie determinuje postaci wydzieleń grafitowych. Obecnie lansowana jest teoria zarodkowania grafitu oparta o zarodkowanie heterogeniczne. W zarodkowaniu tym istotną rolę spełniają węgliki magnezu, wapnia, baru i strontu. Ważną rolę spełniają krzemiany zawierające takie pierwiastki jak; Ba, Sr czy La [27]. Teoria zarodkowania grafitu w oparciu o pęcherzyki par magnezu i wapnia tzw „buble theory”. W przypadku prowadzenia procesu sferoidyzacji żeliwa pierwiastkami ziem rzadkich istotną rolę odgrywają pęcherzyki wodoru. Teorię tą ogłosił A.A. Gorszhova [28] w 1955 roku, a rozwijali ją jego zwolennicy [29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]. W 1996 roku H Itofuji [36] próbował wyjaśnić powstawanie grafitu kulkowego, wermikularnego i grafitu „chanky” i zaproponował nazwę „Site Theory” Schemat wzrostu grafitu kulkowego wg teorii pęcherzyków pokazano na rys. 13 Po wprowadzeniu do żeliwa cząstek sferoidyzatora zawierającego magnez następuje wokół nich lokalne obniżenie temperatury ciekłego żeliwa. W miejscach tych tworzą się, a potem oddzielają pęcherzyki gazowe par magnezu. Z obliczeń [37, 38] wynika że w temperaturze ciekłego żeliwa 1400 o C tworzą się pęcherzyki o średnicy około 6 µm a w temperaturze 1300 o C o średnicy około 19 µm. Wewnątrz takiego pęcherzyka następuje obwodowy wzrost grafitu w kierunku krystalograficznym [1010], podczas wzrostu tworzą się obwodowo drobne i rozgałęzione płatki grafitu. Brak gradientu stężenia w czystym graficie, z perspektywy kinetyki wzrostu kryształu, wyklucza tą przedstawioną hipotezę kształtowania się grafitu wewnątrz pęcherza gazowego.. 16.

(18) Rys. 13 Schemat mechanizm tworzenia się pęcherzyków gazowych Mg w ciekłym żeliwie (a) oraz wzrostu grafitu kulkowego (b) [39]. Wpływ czynników fizykochemicznych Podczas krystalizacji grafitu kulkowego w ciekłym stopie przypisuje się duże znacznie siłom napięcia powierzchniowego. Wprowadzenie do żeliwa tzw sferoidyzatorów na bazie Mg lub ziem rzadkich powoduje wzrost napięcia powierzchniowego o około 50-60 % w porównaniu do żeliwa wyjściowego. Napięcie powierzchniowe wzrasta z 1,0 do wartości 1,6 N/m. Wprowadzenie do żeliwa pierwiastków desferoidyzujących takich jak; S, Pb, Sb, Bi powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego tak jak i przytrzymanie i przegrzanie żeliwa. poddanego. zabiegowi. sferoidyzowania.. W. wyniku. zmniejszenia. napięcia. powierzchniowego, w żeliwie wykrystalizuje grafit wermikularny lub płatkowy. Magnez i cer wiąże pierwiastki powierzchniowo aktywne (gazy wodór i tlen ) i siarkę które zmniejszają wartość napięcia powierzchniowego. Aluminium pomimo działania odtleniającego 17.

(19) i odsiarczającego nie sprzyja powstawaniu grafitu kulkowego. Wapń Ca sprzyja sferoidyzacji tylko w niektórych przypadkach. Zatem napięcie powierzchniowe nie jest elementem wystarczającym do krystalizacji grafitu kulkowego w żeliwie. Dodatkowym czynnikiem pozwalającym otrzymać grafit kulkowy jest silne przechłodzenie ciekłego żeliwa. Warunki wzrostu wydzieleń grafitu Według K. Herfurtha [40] są następujące. Prawdopodobny wpływ na morfologię wydzieleń grafitu ma zróżnicowanie prędkości wzrostu kryształów w poszczególnych kierunkach. Związane jest to z budową wewnętrzną grafitu jak również z działaniem czynników zewnętrznych. Duży wpływ przypisuje się pierwiastkom które wprowadzone w małych zawartościach mogą zmieniać kształt grafitu. Mechanizm oddziaływania tych pierwiastków nie został jednoznacznie wyjaśniony. Pierwiastki te wykazują różny wpływ na prędkość wzrostu kryształów grafitu w kierunkach [ 0001 ] i < 1010 >. Pierwiastki te mogą wbudować się w sieć przestrzenną grafitu lub mogą być selektywnie adsorbowane na ścianach rosnącego kryształu. Pierwiastki sferoidyzujące hamują wzrost kryształu grafitu w kierunku < 1010 > (u a), a sprzyjają wzrostowi w kierunku [0001] u. c.. W żeliwie sferoidalnym grafit rośnie szybciej. w kierunku < 0001 > niż w kierunku [ 1010 ] . Stosunek prędkości ua / uc zależy od zawartości w żeliwie pierwiastków adsorbowanych na odpowiednich powierzchniach kryształów grafitu. [39] Rys. 14. Schemat zmian prędkości wzrostu poszczególnych ścian grafitu: kulkowego, wermikularnego i płatkowego, w wyniku adsorpcji obcych atomów [39]. 18.

(20) Płaszczyzny [1010] mają największą energię powierzchniową i one adsorbują inne pierwiastki. Pierwiastki takie jak ( Mg, Ce, Nd ) tworzą węgliki o wiązaniach jonowych, które ulegają wbudowaniu w sieć krystaliczną grafitu i prawdopodobnie hamują jego wzrost na płaszczyznach {1010}. Pierwiastki takie jak O, S itp. z łatwością są wbudowywane w sieć krystaliczną grafitu. Wiązania S-C mają prawdopodobnie charakter kowalencyjny, podobnie jak wiązania C-C w płaszczyznach podstawy sieci. 2.2 Ogólny proces sferoidyzacji i modyfikacji żeliwa W przemyśle najczęściej stosowanymi odmianami procesu sferoidyzacji żeliwa są: - metoda Tundisch cover, - metoda Sandwich, - metoda dzwonowa, - metoda INITEC, - kadź Georg Fischer, - wprowadzanie czystego magnezu do autoklawu, - wdmuchiwanie proszku magnezu przez wkładkę porowatą na dnie kadzi metoda OSMOSE, - metoda FLOTRET, INCONOD wykorzystanie rynien spustowych, Metoda przewodu elastycznego Core Wire Injection Metod. - sferoidyzowanie żeliwa w indukcyjnym reaktorze HTM Do najczęściej stosowanych metod sferoidyzacji należy zaliczyć: metodę TUNDISCH, która polega na wprowadzeniu do kieszeni kadzi smukłej porcji sferoidyzatora (zazwyczaj zaprawy lekkiej). Metal do kadzi wprowadza się przez otwór w pokrywie. W ostatnich latach obserwuje się dynamiczne zwiększenie do zabiegu sferoidyzowania żeliwa, metody Przewodu Elastycznego [10] Magnez charakteryzuje się niską temperaturą wrzenia 1102 oC, jego gęstość jest mała 1,74g/cm3, a jego ciśnienie wynosi 0,1 MPa przy temperaturze 1480 oC (rys. 15). Ciśnienie magnezu rośnie do 1 MPa co intensyfikuje efekty pirotechniczne powstające przy zabiegu sferoidyzowania żeliwa, co nie jest korzystne pod względem warunków BHP oraz pod względem ekologicznym (znaczne zapylenie otoczenia).. 19.

(21) Rys. 15. Zależność temperatury od ciśnienia par magnezu w kąpieli metalowej [10] Zastosowanie metody sfroidyzowania żeliwa , musi zapewniać wymaganą zawartość magnezu krytycznego (obecnego) w żeliwie na wymaganym poziomie. Zawartość krytyczna Mg jaka musi pozostać w żeliwie aby grafit posiadał 100 % wydzieleni kulek grafitu , powinna być w zakresie 0,035-0,05 % mas.. Rys. 16. Udział postaci wydzieleń grafitu w zależności od zawartości %Mg w żeliwie końcowym, tj. sferoidalnym [10] 20.

(22) Poniżej zostaną w skrócie zaprezentowane metody, które są wykorzystywane w krajowych odlewniach do wytwarzania żeliwa sferoidalnego.. Rys. 17. Metoda dzwonowa przeprowadzenia zabiegu sferoidyzowania [10] W metodzie dzwonowej do przeprowadzenia zabiegu sferoidyzowania żeliwa wykorzystuje się zaprawy ciężkie, które umieszcza się wewnątrz dzwonu. Dzwon jest zanurzany w ciekłym żeliwie znajdującym się w kadzi smukłej.. Rys. 18. Metoda sferoidyzacji Tundisch Cover – schemat [10] 1. Metoda Tundisch Cover polega na wprowadzeniu na dno kadzi smukłej podzielonej przegrodą zaprawy magnezowej lekkiej na bazie FeSi bądź ciężkiej (na bazie Cu, Ni) rys. 18. 2. Niekiedy. spotyka się odmiany tego procesu ze stosowanym przykryciem na zaprawę. (modyfikator,. ścinki. blach,. wióry stalowe).. Zastosowane. przykrycie. powierzchni. sferoidyzatora, opóźnia kontakt ciekłego metalu z zaprawą magnezową (rys. 19.). Na dnie kadzi smukłejumieszcza się zaprawę. Do kadzi wprowadzany jest ciekły metal z pieca i zachodzi proces sferoidyzacji.. 21.

(23) Rys. 19. Metoda Tundisch cover z przykryciem (schemat własny) Początek reakcji magnezu z zaprawy przesuwa się na moment utworzenia się w kadzi słupa metalu. Najczęściej używa się zaprawy żelazowo krzemowo magnezowej o zawartości 5-6 % magnezu. 3.. Metoda przewodu elastycznego, w odmianach PE, 2 PE, 6 PE, polega na umieszczeniu w cienkiej stalowej rurce drobnej zaprawy magnezowej. Stosuje się przewody elastyczne sferoidyzujące o średnicy φ 9, 13, 16 mm. Na rys. 20, pokazano zdjęcie takiego stanowiska do sferoidyzacji żeliwa , wprowadzającego do kadzi zabiegowej dwa przewody sferoidyzujące, przy wykorzystaniu podajnika firmy Progelta. Rys. 20. Stanowisko do sferoidyzacji żeliwa metodą przewodu elastycznego zainstalowany w Odlewnie Polskie SA w Starachowicach (fotografia własna). 22.

(24) Do kadzi smukłej dokonujemy spustu żeliwa wyjściowego z pieca. Wymagana masa metalu jest odważona przy użyciu zawieszonej na haku suwnicy elektronicznej wagi. Po spuście dokonuje się pomiaru temperatury ciekłego stopu. Wynik pomiaru masy metalu z wagi i pomiaru temperatury automatycznie podawany jest do komputera sterującego podajnikiem tzw. „druta” Ze spektrometru wprowadzana jest określona rzeczywista zawartość siarki. Z dostarczonego przez producenta atestu dotyczącego przewodu elastycznego wprowadza się długość metrów nawiniętą na szpulę, zawartość magnezu na 1 metr bieżący. Po skompletowaniu danych tj. masy metalu jego temperatury zainstalowany system oblicza niezbędną długość odcinka przewodu jaką należy wprowadzić do ciekłego stopu. Po podstawieniu kadzi pod podajnik i uruchomieniu systemu następuje automatyczny zabieg sferoidyzowania. Metoda ta pozwala na dokładne dozowanie zawartości Mg wprowadzanego do ciekłego stopu, który następnie podlega zabiegowi grfityzującego modyfikowania.. 4. Metoda Inmold. Rys. 21. Metoda sferoidyzacji w formie – inmold [10] Tę metodę wykorzystuje się w jednej odlewni w kraju, a jej schemat pokazano na rys. 21. Zaprawę magnezową umieszczamy w komorze reakcyjnej 3. Podczas zalewania formy ciekłym żeliwem następuje sferoidyzacja przepływającego metalu przez komorę. Metody tej używają włoskie firmy FIATA. W Polsce TEKSID.. Proces sferoidyzacji prowadzi się w kadziach smukłych. Po zabiegu sferoidyzowania i usunięciu żużla stosuje się zabieg modyfikowania żeliwa wykorzystując do tego celu różne 23.

(25) modyfikatory, na bazie żelazokrzemu. W skład chemiczny modyfikatorów mogą wchodzić następujące pierwiastki: Ba, Ca, Al, Zr, Bi , S, O, La, Sr. Podczas zalewania form prowadzi się zabieg wtórnego modyfikowania. Do tego celu stosuje się w.w modyfikatory o granulacji 0,2-0,7 mm. Dla pojemności 1000 kg kadzi stosuje się modyfikatory o granulacji 2- 6 mm. Dla większych pojemności kadzi stosuje się większe granulacje modyfikatora, np. 3-10 mm. 5. Metoda „INITEK” Foseco. a.. b. Rys. 22. Metoda INITEK a., - spust metalu do kadzi zabiegowej b, - sferoidyzacja ciekłego metalu w kadzi zabiegowej Na rys. 22. Pokazano zdjęcia przeprowadzania zabiegu sferoidyzowania ciekłego stopu, przy wykorzystaniu metody INITEK.. 24.

(26) Do kieszeni na dno kadzi dodajemy drobną zaprawę o masie około 1 % w stosunku do masy sferoidyzowanego żeliwa. Gdy kadź jest w położeniu poziomym wsypuje się do niej premodyfikator, a później następuje spust metalu z pieca. Zamyka się pokrywą kadź Po zapełnieniu całej masy żeliwa w kadzi, przekręca się ją do pionu i słup metalu zalewa kieszeń z zaprawą. Następuje reakcja sferoidyzacji. Metoda charakteryzuje się wysokim uzyskiem magnezu z zaprawy. Wydaje się , że ta metoda jest nieco z udoskonaloną techniką kadzi Georga Fischera.. 25.

(27) 3. Przegląd literatury w zakresie składu chemicznego żeliwa ADI Składy chemiczne żeliwa ADI oraz jego odmian CADI, SiSSADI, jakie są podane w publikacjach zostały ujęte w zbiorczej tabeli nr. 2. Zestawiono w niej takie parametry zabiegu hartowania odlewów z żeliwa ausferrytycznego z przemianą izotermiczną. Zestawione składy chemiczne jak i parametry obróbki cieplnej, pozwoliły zoptymalizować i zaadoptować do przeprowadzenia badań doświadczalnych w warunkach Odlewnie Polskie S.A. w Starachowicach. Tabela 2 Składy chemiczne i różne parametry obróbki cieplnej żeliwa ADI i jego odmian stosowanych przez różnych badaczy Rodz aj ADI Lp 1 2 3 4. Skład chemiczny % mas. C. ADI CADI ADI ADI. Si. 3,55. Mn 0,12,45 0,15. 3,61 3,40. 2,82 2,81. 5 ADI. 3,22. 2,78. 6 ADI. 3,6. 2,2. P 0,003. 0,96 0,98 0,18. S. Cu 0,50,004 0,7. 0,24 0,24. 0,009. Mg 0,040,20,25 0,06. Ni. Cr 0,0020,9 0,003. 0,056 0,040 0,78 0,09. 0,005 0,76. 7 ADI. 0,02. 3.68. 2.42. 9 CADI. 2.98. 1,79. 0.035 0.80 0.029 1,0 1,5 2,0 2,5. 0.01. 0,18. 0.028 0.85. 0,05 0.48. o. 0.021. 0,3 1,5. t ausf. o. 830. C. Publika cja nr. h 375. 375 1,5 315. 2,75 [41] [42] 0,5-10 [43] 0,16-166,6 [43]. 900. 2 375 275. 0,5-1,5. [44]. 900 900/ 1000. 2 375 275. 0,5-1,5. [44]. 0,4 – 1,5. [45]. 1 1 2 3. [46]. 890. 1 360 250 300 1 350. [47]. 920. 210 1 320. 2. [48]. 910 B 0.30 0,036. T ausf. h. 900 Sn0,0 4 Sn0,0 2. t aust. C. 900 0,79 0,03. 0,0006. inne. 0,8. 8 ADI. 10 CADI. Mo. 0,013 0,009 0,03. T aust. bezp 300 /350. 26.

(28) 11. ADI. 12. ADI. 13. 14. GJS 500-7 GJS 500-7 3,65. ADI. 2,59. 0,18. 0,052. 0,014. 3,20 3,41 15 ADI 3,39 SISS 3,27 16 ADI 3,25. 3,80 2,62 2,62 3,66 3,80. 0,32 0,30 0,29 0,28 0,32. 0,031 0,012 0,26 0,046 0,016 0,48 0,042 0,010 0,51 0,041 0,008 0,23 0,031 0,012 0,26. 0,056 0,056 0,036 0,72 0,059 0,056. 0,026. 17 ADI. 2,37. 0,27. 0,039. 0,048 0,02. 0,03. 3,62. 0,008 0,9. 18 ADI. 3,62. 2,37. 0,27. 0,039. 0,008 0,9. 19. ADI. 3,21. 2,57. 0,28. 0,061. 0,01. 20. ADI. 3,75. 2,55. 0,19. 0,03. 21 ADI 22 ADI. 3,40 3,40. 2,80 2,80. 0,28 0,28. 0,04. -. 0,015. 0,62 0,02. 0,72 0,72. 3,21. 2,57. 0,28. 0,06. 0,01. 0,015. 350. 1,5. [49]. 900 950 900. 325 400 300. 2 8,16,32,64 min. [50]. 900. 1,5 1 0,5 5,10, 15,30, 45,60, 75,90 105, 120 min. 900. 1h. 375. 15-90 min. 900. 2. 900. 1. 300 275 350. 30,60,90 min [54] 60.120,180 10,30 min [55]. 0,03. 900. 1. 0,024 0,098. 0,036. 830 950. 1 1. 900. 2. 1,42. 0,06 0,055. 900 2 900 2 Brak danych. 23 ADI 24 ADI. 1. 0,048 0,02. 0,08 0,27 0,27. 900. 0,024. 0,036. 950. 1. Piasek mała szybkość stygnięcia. 350 stopiona Sn i 275 olej 250,300,3 50,400 280,330,3 80 400,370,32 0 370. [51]. [52] [53]. 10,30 60.120 [56] 15,30,60,120, 240 min [57] nie podane. [58]. 3 1. [59] [60]. [61] 300,325,35 15,30,60,120, 0,,400 240 min [62]. 27.

(29) 25. ADI. 3,65 3,65± 0,05 3,64 3,65 3,61 3,56. 2,59 2,25 ± 0,05 2,70 2,65 2,70 2,40. 0,18 0,18 ± 0,04 0,39 0,30 0,40 0,20. 0,052 <0,04 5 0,03 0,03 0,03 0,04. 0,014 <0,01 5 0,01 0,01 0,01 0,014. 29. 3,65. 2,52. 0,45. 0,049. 0,020 1,08. 0,039 0,02. 3,59 3,68. 3,01 3,10. 0,10 0,012 0,02. 0,01. 30. 0,023 0,027. 31. 3,65. 2,25. 0,18. 26 27 28. ADI. 0,06 0,8±0 0,2 ±0, 0,045 ,05 02 ± 0,01 0,01 0,040 0,045 0,99 0,050 0,95 0,6 0,31 0,04. 0,8. 0,2. 1,5±0 ,1 0,03 0,04 1,10 1,4 0,03. 950850,95 0-800. 1-0,5 1-0,5. 950. -. 7.5,15,30,60,1 400,300 20,240 min [63] 260,300,36 0 1,5 [64]. 900 -. 0,5h -. 380 -. 900. 1h 275 5, 15, 20 5, 15, 30, 90 min 400 min 120 2000, 300, min 360 90, 120 min. 880 1,52. 900. 2h [65] [66] 5,10,15,30,45, 60min [67] [68] [68]. 28.

(30) 4. Klasyfikacja żeliwa ADI. Analiza fachowej literatury z zakresu zastosowania zabiegu hartowania z przemianą izotermiczna żeliwa ausferrytycznego, wskazuje iż obecnie znanych jest kilka odmian tego zwanego żeliwa ADI jak: ADI - Austempered Ductile Iron DADI - Direct Austempered Ductile Iron AADI - Ausforming Austempered Ductile Iron CADI - Carbidic Austempered Ductile Iron SiSSADI - Si Solution Strengthened Austempered Ductile Iron Struktura żeliwa ADI powinna składać się z austenitu nasyconego węglem i rozgałęzionych płytek ferrytu. Właściwości mechaniczne tego żeliwa charakteryzuje europejska norma EN 1564- 2011 [70]. Tabela 3. Wyciąg z normy EN-PN 1564 [70] Materiał. EN-GJS-800- EN-GJS10 i 800-10-RT900-8. Rm MPa. EN-GJS-. EN-GJS-. EN-GJS-. 1050-6. 1200-3. 1400-1. 800. 900. 1050. 1200. 1400. Rp0,2 MPa 500. 600. 700. 850. 1100. A5 %. 8. 6. 3. 1. HBW K J. 10 250 – 310 110. 280- 340 100. 320 – 380 80. 340-420 60. 380- 480 35. Żeliwo ausferrytyczne typu ADI zostało ujęte w normie europejskiej EN-PN 1564 (tabela 3, 4 i 5), które obejmują 5 gatunków (symboli) w tym jeden gatunek, który wymaga określenia udarności w wartości temperatury (RT) 23 oC ±5 oC, natomiast norma amerykańska ujmuje 6 gatunków tego rodzaju żeliwa (tabela 6). W tabeli nr 6 wg, normy EN-PN 1564 pokazano wymagane wartości udarności w próbkach bez karbu, oraz dla dwóch gatunków które są klasyfikowane na podstawie twardości HB. Norma Europejska EN-PN 1564 (tabela 7) ujmuje także dla 5 gatunków żeliwa ADI, wymagane właściwości jak; Rp02, A, Rm dla poszczególnych grubości ścianek odlewu t jak; t ≤ 30 mm , 30 < t ≤ 60 mm, 60 < t ≤ 100 mm.. 29.

(31) Tabela 4 Udarność żeliwa ausferrytycznego EN-GJS-800-10RT - próbka z karbem V Impact Gatunek materiału. Grubość ścianki t [mm]. Symbol EN-GJS-800-10RT. Numer. 5.3401. energy. value. at. room. temperature 23oC ± 5oC Mean value of 3 Individual value tests. J min.. J min. t ≤ 30. 10. 9. 30 ˂ t ≤ 60. 9. 8. 60 ˂ t ≤ 100. 8. 7. Tabela 5. Udarność gatunków żeliwa ausferrytycznego – próbka bez karbu Material designation EN-GJS-800-10 EN-GJS-800-10-RT. Impact energy values at 23oC ± 5oC J minimum. 110. EN-GJS-900-8. 100. EN-GJS-1050-6. 80. EN-GJS-1200-3. 60. EN-GJS-1400-1. 35. EN-GJS-HB400. 25. EN-GJS-HB450. 20. 30.

(32) Tabela 6. Klasyfikacja wg ASTM A 897 M – 06 (luty 2006r.) Właściwości Gatunek. Rm MPa min.. A5 Rp0,2 MPa min. % min.. Twardość HB (orientacyjna). 750-500-11. 750. 500. 11. 110. 241-302. 900-650-09. 900. 650. 9. 100. 269-321. 1050-700-07. 1050. 700. 7. 80. 302-375. 1200-850-04. 1200. 850. 4. 60. 341-444. 1400-1100-02. 1400. 1100. 2. 35. 388-477. 1600-1300-01. 1600. 1300. 1. 20. 402-512. Udarność. Tabela 7. Właściwości mechaniczne żeliwa ausferrytycznego Gatunek żeliwa Symbol EN-GJS-800-10 EN-GJS-80010-RT. Numer 5.3400 5.3401. Grubość ścianki t [mm]. Wytrzymałość na rozciąganie Rm min. [MPa]. Wydłużenie A min. [%]. t ≤ 30. 800. 10. 30 ˂ t ≤ 60. 750. 6. 720. 5. 900. 8. 850. 5. 820. 4. 1 050. 6. 1 000. 4. 60 ˂ t ≤ 100. 970. 3. t ≤ 30. 1 200. 3. 1 170. 2. 60 ˂ t ≤ 100. 1 140. 1. t ≤ 30. 1 400. 1. 60 ˂ t ≤ 100. Granica plastyczności Rp02 min. [MP]. 500. t ≤ 30 EN-GJS-900-8. 5.3402. 30 ˂ t ≤ 60. 600. 60 ˂ t ≤ 100 t ≤ 30 EN-GJS-1050-6. EN-GJS-1200-3. EN-GJS-1400-1. 5.3403. 5.3404. 5.3405. 30 ˂ t ≤ 60. 30 ˂ t ≤ 60. 30 ˂ t ≤ 60 60 ˂ t ≤ 100. 700. 850. 1 100. Uzgodnienie zamawiający - producent 31.

(33) 5. Kształtowanie mikrostruktury żeliwa ADI Dobre właściwości żeliwa ADI wynikają ze specjalnie przeprowadzonych zabiegów obróbki cieplnej - austenityzowania i hartowania z przemiana izotermiczną. Te dwa zabiegi kształtują końcową mikrostrukturę żeliwa ADI, jak i jego odmian (CADI, SSSADI). Na proces austenityzacji ma znaczący wpływ: – skład chemiczny żeliwa, – mikrostruktura , – liczba, wielkość wydzieleń grafitu, – ich rozłożenie, w żeliwie wyjściowym . W odlewach zawierających osnowę perlityczną w stanie wyjściowym do austenityzacji następuje szybsze nasycenie węglem austenitu niż przy osnowie ferrytycznej. W żeliwie o które w swojej strukturze zawiera dużą liczbę wydzieleń grafitowych (ponad 200 na 1 mm2), równomiernie rozłożonych. austenit osiąga szybciej równowagowe stężenie węgla.. Austenityzowanie ustala zawartość węgla w austenicie zaś przemiana izotermiczna następująca po szybkim schłodzeniu z temperatury austenityzacji ostatecznie kształtując. mieszaninę. austenitu i ferrytu płytkowego (ausferrytu). Końcowe właściwości żeliwa ADI w temperaturze otoczenia zależą od ausferrytu który może być o różnej morfologii i proporcji udziału faz. o. Tp,i= 400 C. ⇓. o. Tp,i= 250 C. ⇓. Rys. 23. Właściwości mechaniczne żeliwa ausferrytycznego [71]. 32.

(34) 5.1 Ogólny schemat wytwarzania żeliwa ADI. Rys. 24. Ogólny schemat zabiegów ulepszania cieplnego odlewów z żeliwa sferoidalnego [72] A - zabieg austenityzowania odlewów, B - transport odlewów, C - urządzenie do załadowania i rozładowania odlewów, D - zabieg hartowania w medium hartowniczym. Hartownie izotermiczne wykonuje się w następujących hartowniczych kąpielach : •. kąpiele solne: - azotan solny + azotan potasu, - bądź - azotan i azotyn sodu, (temperatura topnienia soli 230 - 235oC , temperatura robocza 230 – 485 oC);. •. złoża fluidalne - tlenek aluminium Al2O3 + korund + chromit + cyrkon - bądź węglik krzemu SiC - oraz powietrze;. •. kąpiele olejowe - do temperatury 230 oC – powyżej tej wartości może wystąpić samozapłon.. Rys.25 Schemat procesu hartowania żeliwa z przemianą izotermiczną [1] 33.

(35) B.V. Kovacs [1] opracował schemat (Rys. 25) powstawania mikrostruktury żeliwa ADI. Pierwszym etapem jest austenityzacja odlewów w temperaturze z zakresu 840-950 oC (A-B) Wytrzymane w temperaturze (B-C) do momentu otrzymania austenitu nasyconego węglem. Schładzanie do temperatury przemiany izotermicznego wytrzymania C-D w zakresie temperatury 230-400 oC. W punkcie E zaczyna się zarodkowanie ferrytu płytkowego i nasycanie. austenitu węglem. Zawartość węgla w austenicie wynosi od 1,1-1,6 %.. W przedziale czasowym F-G następuje dalszy rozrost ferrytu i nasycanie węglem austenitu do wartości z zakresu 1,8 -2,2 %. Po przekroczeniu czasu określonego punktem G następuje zarodkowanie węglików, a z czasem przekształcenie austenitu w ferryt i węglik ε (Fe2.2 C). W punkcie J uzyskuje się osnowę bainitu α + węglik ε. 5.2. Austenityzacja. Pierwszym etapem obróbki cieplnej żeliwa sferoidalnego jest austenityzacja. Jest to nagrzewanie odlewów z żeliwa sferoidalnego do wartości temperatury nadkrytycznych 30-100oC powyżej Ac1 ich wygrzewanie w tych wartosciach. Szybkość nagrzewania, temperatura, czas wygrzewania wpływają na jednorodność austenitu i wielkość ziarna. Czas austenityzacji odlewów z żeliwa sferoidalnego zależy od, struktury żeliwa wyjściowego, oraz zdolności węgla do dyfuzji między kulkami grafitu, a osnową metalową. Wpływ mikrostruktury żeliwa wyjściowego jest następujący: - osnowa ferrytyczna, prawie nie zawiera węgla (C rzędu 0,02 % mas.), - osnowa perlityczna zawiera 0,77 % mas. węgla. Austenit stanowiący osnowę metalową szybciej nasyca się węglem, gdy proces rozpoczyna się od mikrostruktury perlitycznej, zawierającej około 0,77 % C, niż od ferrytycznej, która zawiera minimalna zawartość węgla, co wyjaśnia schemat na rysunku 26. t1. t2. t3. osnowa ferrytyczna. osnowa ferrytyczna - perlityczna. osnowa perlitycznoferrytyczna. t4 osnowa perlityczna. Czas austenityzacji. t1 > t 2 > t 3 > t 4. Rys. 26. Wpływ rodzaju osnowy metalowej odlewów z żeliwa sferoidalnego niskostopowego na czas austenityzacji, t podczas ich obróbki cieplnej 34.

(36) Kształtowanie się austenitu w osnowie żeliwa rozpoczyna się już podczas nagrzewania i przekroczeniu temperatury przemiany eutoktoidalnej. W żeliwie o osnowie perlitycznej na granicach: (a praktycznie to węglik typu M3C, gdzie : M = Fe, Mn, i ew. inne pierwiastki perlitotwórcze) cementyt eutoktoidalny ferryt następuje heterogeniczne zarodkowanie ziaren austenitu [73, 74]. Następnie zarodki te rozpuszczają węglik M3C i ferryt. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny. Powstające ziarna austenitu są nie jednorodne pod względem zawartości węgla [75] Austenit „czerpie” węgiel z węglika M3C perlitu jak również z znajdujących się w pobliżu kulek grafitu. Żeliwo przeznaczone do austenityzacji i hartowania izotermicznego powinno zawierać jak największy udział w strukturze perlitu, i dużą liczbę drobnych kulek grafitu znajdujących się w małych odległościach między sobą. Żeliwo o strukturze ferrytycznej wymaga dłuższych czasów austenityzacji, niż żeliwo o strukturze perlitycznej. Zależność stężenia węgla w austenicie a temperatura austenityzacji opisuje zależność. [8, 9,73] Wielkość tę dla stopów Fe-C-Si można obliczyć z wzoru (2) [73,76 ] 0,17. 0,95. (2). Na podstawie wzoru (2) opracowano wykres zależności stężenia węgla w austenicie γ rys. 27.. Rys. 27. Wpływ temperatury austenityzowania na stężenie węgla w austenicie W koloniach perlitu na granicach ziaren eutektycznych, następuje rozpoczęcie przemiany eutoktoidalnej. Zawartość w tych obszarach manganu obniża temperaturę Ac1, 35.

(37) powodując zajście przemiany. Podczas dalszego wygrzewania ulegają rozpuszczeniu pozostałe jeszcze nierozpuszczone płytki węglika eutoktoidalnego M3C w kolonii perlitu. Austenityzację przeprowadza się w wartościach temperatury z zakresu 820–950. o. C. Źródłem węgla. nasycającego austenit jest węglik M3C perlitu albo licznie występujące w stopie wydzielenia grafitu. Temperaturę austenityzacji Tγ procesu dobiera się mając na uwadze mikrostrukturę żeliwa wyjściowego, jak i właściwości mechaniczne określone z odlewu. Czas trwania austenityzacji wyznacza się na podstawie składu chemicznego żeliwa i grubości ścianki odlewu. Przyjmuje się czas 48 do 150 sekund na 1 mm grubości ścianki odlewu. Wpływ zdolności węgla do dyfuzji między kulkami grafitu, a osnową utrudniają takie pierwiastki jak Sb, Sn, Cu (rys.. 28a), które segregują do granicy między grafitem, a osnową metalową, tworząc cienką tzw. „powłokę izolacyjną" wokół grafitu.. Obecność tych. pierwiastków wydłuża czas austenizacji τγ gdyż utrudnia „przejście” (dyfuzję) węgla z grafitu do osnowy. Z rysunku 28b wynika, że im wyższa jest zawartość krzemu w żeliwie sferoidalnym, tym wyższa powinna być temperatura austenityzacji, aby zapewnić ten sam stopień nasycenia austenitu węglem.. Cu, Sn, Sb. a). b). Rys. 28. Wpływ zdolności węgla do dyfuzji między kulką grafitu a osnową metalową przy oddziaływaniu antymonu, cyny i miedzi (a) oraz krzemu (b). W żeliwie ADI zawartość Mn powinna być ograniczona do 0,5 % [84] Wysokie zawartości Mn można stosować dla żeliwa o zwiększonych właściwościach wytrzymałościowych. Krzem zmniejsza zawartość węgla w nasyconym austenicie, podwyższa temperaturę eutoktoidalną. W wyniku oddziaływania krzemu, przemiana eutektoidalna będzie zachodzić w ostatniej kolejności przy powierzchni wydzielonych kulek grafitu. Austenit nasyca się węglem najintensywniej w początkowym etapie przemiany i jest funkcją czasu.. 36.

(38) Rys. 29. Wpływ krzemu na minimalną temperaturę austenityzowania dla której osnowa żeliwa sferoidalnego osiągnie 90 % udziału austenitu w przemianie α →γ [77] Na rys. 30 i 31 zobrazowano wpływ dodatku Cu i Ni + Cu, temperatury oraz czasu austenityzowania na zawartość węgla w austenicie w żeliwie sferoidalnym. Darwish i Eliott stwierdzili niewielki wpływ pierwiastków stopowych na równowagową zawartość węgla w austenicie [78]. Rys. 30. Wpływ temperatury i czasu austenityzacji na zawartość węgla w austenicie w żeliwie sferoidalnym zawierającym dodatek Cu [78] 37.

(39) Rys. 31. Wpływ temperatury i czasu austenityzacji na zawartość węgla w austenicie w żeliwie sferoidalnym zawierającym dodatek Ni i Cu. [78]. 38.

(40) 5.3 Hartowanie izotermiczne w solach Hartowność –. jest to podatność żeliwa na zabieg hartowania, tj. podatność na. przechłodzenie austenitu [8] do szybkości chłodzenia odlewów, a ściślej do danej grubości ścianki odlewów. Dla grubych odlewów i ich małej szybkości stygnięcia, należy zwiększyć hartowność odlewów przez wprowadzenie dodatków stopowych (Ni, Mo, Cu ) Szybkość hartowania zależy od: g - grubości ścianki odlewu, m - miejsca w danej ściance odlewu, s - składu chemicznego żeliwa,. Szybkość hartowania K/s. Szybkość hartowania K/s. co zilustruwano dla przykładu na rys. 31, 32, 33.. Grubość ścianki odlewu, cm. Odległość od ścianki odlewu, cm. Rys. 31. Wpływ szybkości hartowania od grubości ścianki i odległości od ścianki odlewu [9]. Rys. 32. Wpływ molibdenu na maksymalną średnicę prętów, w których nie powstaje perlit [9]. 39.

(41) Rys. 33. Wpływ niklu i miedzi na maksymalną średnicę prętów w których nie powstaje perlit [9]. Rys. 34. Schemat wzrostu ferrytu w okresie przemiany izotermicznej oraz fazy przemienione [79, 80] Mechanizm tworzenia się struktury żeliwa w początkowym. okresie hartowania. z przemianą izotermiczną. Został zobrazowany sekwencyjnie na rys. 34 [79, 80]. W czasie τ1 do τ2 na powierzchni kulek grafitu zarodkują a następnie wzrastają płytki ferrytu α. W przedziale czasu od τ2 do τ3 jest dalsze zarodkowanie i wzrost płytek ferrytu. Na bocznej części tych płytek następują rozgałęzienia [79, 80]. W czasie τ1 do τ2 (pierwszy etap) zwiększa się stężenie zawartości węgla w austenicie od 1,2 - 1,6 %. mas. Austenit o takiej zawartości węgla jest niestabilny. Przemiana fazy γ austenitu w martenzyt następuje po ochłodzeniu odlewów do temperatury otoczenia, lub podczas wystąpienia nacisków w czasie zajścia zjawiska zgniotu austenitu niestabilnego mechanicznie. Dalszy rozrost płytek ferrytu następuje w czasie τ2 do τ3 trwania przemiany 40.

(42) izotermicznej a austenit wzbogaca się w węgiel do zawartości 1,8 – 2,2 % mas.. Austenit ten jest stabilny w wartościach temperatury otoczenia i nie ulega przemianie podczas obróbki mechanicznej. Optymalną strukturę ausferrytu otrzymuje się w przedziale czasu od τ2 do τ3. Zmniejszenie prędkości bocznej wzrostu płytek ferrytu i ich rozgałęzienie obserwuje się gdy czas trwania przemiany izotermicznej przekroczy τ3. Wymiary wydzielenia austenitu ulegają zmniejszeniu. Długi czas trwania przemiany izotermicznej powoduje że austenit przesyca się znacznie węglem, przekształca się w ferryt. Występujący nadmiar węgla powoduje wydzielenie się fazy węglikowej ε – Fe2.2C o kształcie soczewkowatych wydzieleń równoległych do płytek ferrytu. Otrzymujemy strukturę bainitu α + ε Przemianę podczas hartowania izotermicznego żeliwa można przedstawić jako rekcję wielostopniową : w I etapie następuje II etap. γ → γC + α γC → α + węgliki. gdzie: γ – austenit , γC – austenit nasycony węglem, α – ferryt płytkowy rozgałęziony. Mikrostruktury charakterystyczne dla tego etapu zestawiono na rys. 35.. Rys. 35. Struktura żeliwa ADI: w początkowym okresie zarodkowania i wzrostu ferrytu [79, 81], (a) ausferryt (b) oraz wydzielenia węglika ε (c i d) – Tpi = 350 o C [79,83]; a) – zdjęcie skaningowe, pow. 1000x, τpi = 180 s, b) pow. 500x, τpi = 3 h, c, d zdjęcia skaningowe. 41.

(43) Udział austenitu w żeliwie ADI określił w swoich pracach Dymski [17,20], które zestawiono w układzie przestrzennym a, b, c zestawiono w układzie przestrzennym a, b, c, na rys. 36, zaś na rys. 37 pokazano zmianę zawartości węgla w austenicie żeliwa ADI.. Rys. 36. Udział austenitu w osnowie żeliwa ADI w funkcji temperatury i czasu hartowania izotermicznego wg. [82]. Rys. 37. Zawartość węgla w austenicie w żeliwie ADI w funkcji temperatury i czasu hartowania izotermicznego, wg. [82] Żeliwo sferoidalne jest niejednorodne. i te same transformacje mogą nie zachodzić. równocześnie w całej objętości mikrostruktury. Niejednorodność może wynikać z segregacji pierwiastków. składu chemicznego w mikroobszarach. W żeliwie mogą istnieć w danej. temperaturze przemiany izotermicznej mikroobszary o różnym stanie nasycenia austenitu.. 42.

(44) 5.4 Wpływ parametrów procesu obróbki cieplnej i składu chemicznego na właściwości mechaniczne żeliwa ADI Na rys. 38pokazano schematycznie oddziaływanie czasu przemiany izotermicznej τpi, oraz wartości temperatury Tpi odlewów na zmianę mikrostruktury żeliwa ADI. a). b). Rys. 38. Wpływ parametrów τpi (a) i Tpi (b) na skład osnowy żeliwa po zabiegu hartowania żeliwa z przemianą izotermiczną [12]. 43.

(45) W żeliwie ADI wymagana mikrostruktura stanowi rozgałęzione płytki ferrytu, austenit nasycony węglem i kulki grafitu [1]. Występowanie tej mikrostruktury jest ograniczone czasowo rys. 38a a jak również zakresem temperatury przemiany izotermicznej rys.38b Jest to tak zwane okno procesu technologicznego [85, 86] Od wartości Tγ i τγ zależy stopień nasycenia austenitu węglem a zatem jego trwałość po zabiegu hartowania z przemianą izotermiczną. [83]. Wartości Tpi i τpi decydują. o mikrostrukturze po przemianie a tym samym o właściwościach odlewów z żeliwa ADI. Po krótkim czasie trwania hartowania izotermicznego w temperaturze otoczenia w mikrostrukturze żeliwa będzie występował martenzyt i niewielkie ilości płytek ferrytu (rys. 38a). Taka mikrostruktura powstaje po zajściu przemiany niestabilnego termicznie austenitu w martenzyt. Zwiększając czas hartowania izotermicznego po ostudzeniu do temperatury otoczenia, w mikrostrukturze zwiększa się udział ferrytu w postaci formowanych przez niego. pakietów. płytek oddzielonych austenitem. Zwiększając czas przemiany. spowoduje się ustabilizowanie termodynamiczne austenitu, osiągając właściwą mikrostrukturę ausferrytu. Mikrostruktura ausferrytu składa się z austenitu oddzielającego, rozgałęzione płytki ferrytu i austenitu blokowego pomiędzy pakietami ferrytyczno-austenicznymi. Stosowanie długich czasów hartowania izotermicznego prowadzi do otrzymania bainitycznej struktury (rys. 40, 41,42).. Rys. 39. Całkowicie martenzytyczna osnowa żeliwa sferoidalnego z niewielką Udziałem rozgałęzionych płytek ferrytu, (krótki czas przemiany izotermicznej); SEM (fotografia własna). 44.

(46) Rys. 40. Pakiety płytek ferrytu i martenzytu powstałego z niestabilnego termodynamicznie austenitu w temperaturze otoczenia ; SEM (fotografia własna). Rys. 41. Struktura zęliwa sferoidalnego ADI zawiera pakiety płytek ferrytu oraz wysokowęglowy austenit TEM ,SEM (fotografia własna). Rys. 42. Długi czas przemiany izotermicznej , płytka ferrytu z wydzieleniami węglików; TEM (fotografia własna) 45.

(47) W czasie trwania hartowania izotermicznego austenit nasyca się węglem, a skutkuje to jego termodynamiczną trwałością wskutek obniżania się temperatury przemiany Ms [ 87, 88, 89] Stabilny austenit charakteryzuje się dużą zawartością węgla. Austenit w żeliwie ADI może osiągnąć. nasycenie. węglem. (do. 2,2%. mas.),. dzięki. czemu. wykazuje. trwałość. w temperaturze obniżonej do około – 200 oC.. Rys. 43. Ogólny schemat zmian temperatury w czasie zabiegów obróbki cieplnej żeliwa ADI i zmiana temperatury Ms w czasie w wyniku zajścia przemiany izotermicznej [73]. Rys. 44. Schemat procesu hartowania żeliwa z przemianą izotermiczną - ausferryt dolny i górny [10]. 46.

(48) Przy czasie τpi 0,5 – 1,5 h i temperaturze hartowania izotermicznego Tpi = 400 oC, występuje ausferryt górny składający się z 60 % ferrytu α + 40 % austenitu γ. Grubość płytek ferrytu α i austenitu γ zwiększa się. Powoduje to obniżenie wartości Rm i twardości HB. Wartości wydłużenia A5 i udarność K ulegają zwiększeniu. W wartości temperatury Tpi = 250. o. C. i czasie trwania przemiany izotermicznej τpi około 6 h wystąpi struktura ausferrytu dolnego, składająca się z 85 % ferrytu α + 15 % austenitu γ. Przy tych parametrach hartowania izotermicznego grubość płytek maleje jak i udział austenitu. Otrzymujemy znaczny wzrost wartości Rm i HB natomiast wartości wydłużenia A5 i udarność K zmniejszają się. Austenit wywiera korzystny wpływ na właściwości ausferrytycznego żeliwa sferoidalnego [10, 15, 90] 5.5 Badanie ausferrytu w ujemnych wartościach temperatury. Nasycony w różnym stopniu węglem austenit w żeliwie ADI może wykazywać trwałość w temperaturze otoczenia. Badania przeprowadzone w ujemnych wartościach temperatury wykazały zmniejszenie się udziału austenitu szczątkowego w strukturze żeliwa w skutek zajścia przemiany w martenzyt. W pracy [91, 92] poddano próbki z żeliwa ADI oddziaływaniu temperatury ciekłego azotu, tj około – 200 oC. Zaobserwowano w badaniach mikroskopowych, że w miejscach występowania austenitu pojawił się martenzyt. W mikrostrukturze pozostały obszary. austenitu. pomiędzy. płytkami. ferrytu. które. nie. uległy. przemianie. w martenzyt. Istniejący austenit został przesycony węglem. Charakterystyczne mikrostruktury zaobserwowano na rys. 45, 46.. Rys. 45. Ausferrytyczna osnowa żeliwa sferoidalnego; SEM (fotografia własna). 47.

(49) Rys. 46. Martenzyt w ausferrytycznej osnowie żeliwa sferoidalnego poddanemu oddziaływaniu ujemnej temperatury (fotografia własna) Wyniki doświadczeń. potwierdzono przeprowadzając badanie dyfrakcji rentgenowskiej. i pomiarów w mikroobszarach twardości.. Rys. 47. Dyfratogram rentgenowki żeliwa sferoidalnego ADI i po oddziaływaniu na to żeliwo ujemnych wartości temperatury [92]. Rys. 48. Mikrostruktura ADI poddanemu oddziaływaniu ujemnej wartości temperatury, z widocznymi odciskami HV10g [92] Twardość w mierzonych mikroobszarach jest o około 100 jednostek większa od twardości ferrytu i austenitu . 48.

(50) 5.6 Zjawisko TRIP Zjawisko TRIP (TRansformation Induced Plasticity) jest to zjawisko przemiany austenitu w martenzyt pod wpływem odpowiedniego poziomu naprężenia lub odkształcenia. Przemiana taka zachodzi np. przy pomiarze twardości żeliwa lub podczas zrywania próbek bądź obróbki mechanicznej odlewów z żeliwa ADI. Przemiana austenitu w martenzyt w skutek wystąpienia odkształcenia plastycznego materiału zachodzi w miejscach występowania w mikrostrukturze odlewu austenitu blokowego [10, 19, 87, 93, 94, 95, 96, 97, 98]. 5.7 Oddziaływanie podwyższonej temperatury na ausferryt W podwyższonych temperaturach następuje. intensywna przemiana egzotermiczna. związana z procesem powstania mieszaniny płytek ferrytu i węglików Do zajścia tego procesu jest niezbędna energia aktywacji rzędu 200 do 280 kJ/mol Dla wysokich wartości temperatury hartowania izotermicznego (350-400 oC) niezbędna jest niższa energia aktywacji, niż w przypadku przeprowadzenia hartowania izotermicznego w wartości temperatury w zakresie (300-320 oC). Na rys. 49 pokazano dla przykładu wartości właściwości mechanicznych Rm, oraz A5, w zależności od temperatury przeprowadzonego pomiaru (oC ). W miarę zwiększania wartości temperatury pomiaru obserwuje się zmniejszenie właściwości mechanicznych.. Rys. 49. Zmiana właściwości żeliwa ADI badanych w próbie statycznego rozciągania .wg. [99]. 49.

(51) 6. Podsumowanie W celu wprowadzenia do warunków produkcyjnych odlewów z żeliwa ADI o wysokich. właściwościach plastycznych niezbędne jest: - opracowanie optymalnego tzw. „okna technologicznego” zabiegu obróbki cieplnej o optymalnych wartościach temperatury (Tγ) i czasu (τγ) austenityzowania oraz temperatury (Tpi) i czasu (τpi) hartowania z przemianą izotermiczną, zapewniających w żeliwie osnowę ausferrytu, - otrzymanie odlewów z żeliwa sferoidalnego klasycznego bez wad o dużych właściwościach metalurgicznych, - dobór składu chemicznego, który powinien zapewnić w mikrostrukturze żeliwa sferoidalnego wyjściowego do zabiegu hartowania z przemiana izotermiczną ADI: 5. maksymalną liczbę wydzieleń kulek grafitowych o regularnym kształcie i małych wymiarach, 6. największy udział perlitu w mikrostrukturze odlewu, 7. brak wydzieleni węglikowych, oraz wtrąceń niemetalicznych czy metalicznych. Czas austenityzowania odlewów zależy od stosunku udziału perlitu do ferrytu w mikrostrukturze i jest on tym dłuższy, im udział ferrytu jest większy. W celu nadania odlewom z żeliwa sferoidalnego podwyższonych właściwości mechanicznych, poddaje się je ulepszaniu cieplnemu polegającemu na: austenityzowaniu w temperaturze od 800 do 950 oC (Tγ), w czasie τγ, a następnie ich hartowaniu z przemianą izotermiczną, tj. umieszczeniu odlewów, w zależności od wariantu technologii produkcji, w odpowiednim środowisku hartowniczym, najczęściej w kąpieli solnej o temperaturze. Tpi z zakresu 250-400 oC. i wytrzymaniu w niej przez okres τpi. 6.1. Uzasadnienie podjęcia tematu pracy Przeprowadzone studia literaturowe i dotychczasowe wykonane własne analizy rynku. odbiorców odlewów, wykazały że konstruktorzy części maszyn i urządzeń wybierają ausferytyczne żeliwo, jako atrakcyjne tworzywo konstrukcyjne. Podstawę do tego wyboru dają właściwości żeliwa ADI zestawione w normach PN-EN 1564 (Ausferritic spheroidal graphite cast iron), oraz ASTM A 897 M – 06 (Standard Specification for Austempered Ductile Iron Castings). Wybrane gatunki tego żeliwa cechują się połączeniem znacznych wartości właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, oraz bardzo istotnych dla konstruktora, korzystnych właściwości dynamicznych. Takie połączenie parametrów 50.

(52) umożliwia konstruktorom na zastosowanie żeliwa ADI na części maszyn i urządzeń pracujących w warunkach dużych obciążeń dynamicznych. Światowi producenci maszyn i urządzeń są zainteresowani stosowaniem odlewów z żeliwa ADI w następujących branżach: - automotive (wsporniki, wahacze, układy zawieszenia) [15, 100, 101, 102], - samochody ciężarowe (wsporniki, wały korbowe, układy zawieszenia, części układów hamulcowych) [100, 101, 102], - kolejnictwo (części układów hamulcowych, jarzma, elementy układów nośnych wagonów) [100, 102], - maszyny rolnicze i drogowe (elementy sprzęgieł, układów przenoszenia napędów) [15, 100, 101, 102], - elementy przekładni zębatych (koła zębate, wały, osie) [15, 100, 102], - oraz wiele innych odlewów. Innym kierunkiem rozwoju żeliwa ADI jest możliwość zastąpienia odlewów i części spawanych z stali bądź staliwa, czy stopów aluminium odlewami z żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego (ADI) o zwiększonej wytrzymałości i plastyczności w odniesieniu do wytwarzania odlewów, np. motoryzacyjnych, jak wahacze, wsporniki, piasty, itp., odlewów. czy. elementów urządzeń do pracy w kopalniach węgla. Poniżej na rys. 50- 62. zamieszczono przykłady takiej konwersji na odlewy z żeliwa ADI. Rys. 50. Odlew z żeliwa ADI – konwersja odlewu z aluminium Przykład zastąpienia odlewu aluminiowego prototypem z ADI przy tych samych masach odlewu przedstawiono na rys. 50, 51 i 54.. 51.

(53) Al. AS7Go3 ADI 850.550.10. Waga [kg] 1,1 1,1. Objętość [cm3] 370 160. Energia [MJ] 58 33. Uwagi ADI 40% mniej energii. Rys. 51. Odlew wspornika Al zastąpiony przez odlew ADI. 92. Energia procesowa [MJ]. 33. Rys. 52. Konwersja odkuwki stalowej na odlew ADI; obniżenie zużycia energii o 65 %. 6,9 kg. 361 MJ. Spawanie. 5,9 kg. 177 MJ. Odlew ADI. Rys. 53. Element siewnika; obniżenie kosztów i energii. 52.

(54) 30 MJ/kg. Piasta ADI. Piasta Al.. 58 MJ/kg. Rys. 54. Konwersja piasty aluminiowej na odlew ADI. 15 kg. 900 MJ. Wspornik tłoczony. Wspornik z ADI. 420 MJ. 14 kg. Rys. 55. Konwersja wspornika tłoczonego stalowego na odlew ADI Doświadczenia z rynku własnych odbiorców wskazują na szerokie zainteresowanie komponentami odlewniczymi z tworzywa asferytycznego. Zapytania ofertowe z europejskiego rynku dotyczą nowotworzonych konstrukcji odlewów, ale także zastępowania klasycznego żeliwa sferoidalnego, żeliwem ausferytycznym. To zjawisko konwersji występuje również w przypadku części maszyn i urządzeń dotychczas produkowanych jako odkuwki stalowe względnie konstrukcje spawane. Innym przykładem wprowadzania tworzywa ausferrytycznego jest zamiana odlewów aluminiowych odlewami ADI, co może skutkować zmniejszeniem masy konstrukcji. Przykładem zmiany klasycznego żeliwa sferoidalnego na żeliwo ausferrytyczne gatunku GJS 800-10 jest odlew łącznika trakcji elektrycznej dotychczas wykonywany z żeliwa GJS 500-7 (rys. 56a, ).. 53.

(55) a. b. Rys. 56. Odlewy cienkościenne: a) łącznik trakcji elektrycznej, b) ramię Tego typu odlewy cienkościenne nie wymagają zastosowania dodatków stopowych. Wstępne badania wykazały że odlewy tego typu można z powodzeniem poddawać ausferrytyzacji. Bardzo liczną grupą odlewów z żeliwa ausferrytycznego są konstrukcje pracujące zmęczeniowo w zmiennych obciążeniach dynamicznych. W tych przypadkach konstruktorzy preferują żeliwo ausferrytyczne o znacznych właściwościach plastycznych. Przykładem takiej konstrukcji jest odlew ramienia przenoszący, przez połączenie wielowypustowe, zmienne momenty napędowe na współpracujące elementy kombajnu (rys.57).. a. b. Rys. 57 . Odlewy o średniej grubości ścianki: a) odlew ramię, b) rysunek obróbczy Kolejnym odpowiedzialnym odlewem jest korpus układu hamulcowego do wagonów szybkich kolei.. 54.

(56) a. b. Rys. 58. Krzywka : a) odlew obrobiony, b) przekrój odlewu Korpus narażony jest na dynamiczne obciążenia. Funkcje tego komponentu odlewniczego determinują stabilność właściwości mechanicznych określanych na próbkach wyciętych z odlewu. Przykładem odlewu o nie technologicznej konstrukcji odlewniczej jest tuleja (rys.59), przenosząca główny napęd przez przekładnię zębatą.. a. b. Rys. 59. Korpus układu hamulcowego: a) odlew, b) odlew obrobiony Warunkiem. odbioru. tego. detalu. jest. cykliczna. kontrola. właściwości. wytrzymałościowych i plastycznych na próbkach wyciętych bezpośrednio z obszaru wewnętrznego uzębienia tulei. Szczególne wyzwania technologiczne stawiane są odlewom grubościennym pracującym przy wysokich obciążeniach dynamicznych. Przykładem są elementy nośne wagonów (rys. 60, 62) 55.

(57) a. b. Rys. 60. Jarzmo wagonu: a) odlew, b) rysunek obróbczy oraz gwiazda napędowa kombajnu zgrzebłowego w kopalniach węgla kamiennego ( rys. 61). a. b. Rys. 61. Gwiazda łańcuchowa: a) odlew, b) odlew po obróbce skrawaniem. 56.

(58) a. b. Rys. 62. Czop skrętu wagonu a) odlew, b) odlew po obróbce skrawaniem Przedstawione, własne doświadczenia wskazują na szczególne wymagania stabilności właściwości mechanicznych żeliwa ADI zastosowanego do. części maszyn i urządzeń. pracujących w zmiennych obciążeniach dynamicznych. Stabilność tych jakościowych wskaźników wymaga doboru optymalnych warunków procesowych w zakresie odlewnictwa, metalurgii. i. obróbki. cieplnej. odlewów.. Projektowanie. technologii. odlewniczej. skomplikowanych odlewów nie stwarza problemów, dzięki stosowanym systemom komputerowym w zakresie projektowania i symulacji procesu krystalizacji i stygnięcia odlewów w formie . Również obróbka pozapiecowa jest mocną stroną procesu produkcyjnego wykorzystującego zaawansowane innowacyjne metody kontroli stabilności procesowej. Przedstawione studia literaturowe i dotychczasowe badania własne pozwoliły na wdrożenie technologii żeliwa ausferrytycznego w Spółce Akcyjnej Odlewnie Polskie. Dotychczasowe doświadczenia własne z różnorodnymi odlewami tak pod względem stopnia skomplikowania jak i grubości ścianki potwierdziły, że trudno utrzymać stabilność procesową właściwości mechanicznych tego tworzywa (tabela 8). Przedstawione dane dotyczą etapu Tabela 8. Zestawienie właściwości żeliwa ADI – niestabilność procesowa. Lp. Wg normy 1 2 3 4 5. Rm [MPa] 800 1005 961 972 955 988. Rp0,2 A5 [ %] HBW [MPa] 500 10 250÷310 646 9,4 302 582 8 285 568 7,6 302 571 7 311 632 9,2 311 57.

(59) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Wartość średnia Odchylenie standardowe. 979 940 990 956 956 948 963 907 997 948. 627 650 658 579 597 621 599 617 680 634. 11,7 6,2 8,7 7,9 7,3 7,6 10,4 5,3 8,6 8,2. 302 311 321 255 293 302 302 311 311 311. 954,06. 610,06. 8,32. 302,00. 47,74. 44,00. 1,60. 15,64. wdrożenia przykładowego odlewu. Z przedstawionego zestawienia wynika, że ponad 85 % uzyskanych wyników wydłużenia nie spełnia wymagań wynikających z normy. Właściwie opracowana technologia wytwarzania powinna umożliwiać uzyskiwanie bezpiecznego zapasu wartości plastyczności, w porównaniu do wymagań wynikających z normy. Jeszcze większy problem technologiczny dotyczący dotrzymania warunków odbioru napotkano w przypadku określania właściwości mechanicznych na próbkach wycinanych z odlewu. Dotyczy to tak właściwości plastycznych jak i wytrzymałościowych. Każdorazowe poszukiwanie „Okna Technologicznego” dotyczącego wdrażanego odlewu z określonego gatunku żeliwa jest kosztownym i długotrwałym procesem. Obserwowany znaczny rozwój zamówień odlewów z żeliwa ADI spowodował, że w strategii rozwojowej Spółki postawiono w ostatnich latach na następujące kierunki: - rozwój infrastruktury dotyczącej obróbki cieplnej zwiększający kilkakrotnie obecną wydajność, - rozwój technologii w zakresie poznawczym i utylitarnym polepszającym warunki obsługi klientów: •. poprawa jakości,. •. skrócenie czasu nowych uruchomień (lead time),. •. zmniejszenie jednostkowych kosztów wytwarzania.. Przedstawione problemy badawcze, a także strategiczny innowacyjny rozwój odlewni determinuje przeprowadzenie szczegółowych badań w zakresie doboru składu chemicznego 58.

(60) i parametrów obróbki cieplnej, dla uzyskania stabilności procesowej odlewów z żeliwa ADI przeznaczonych do pracy w warunkach dynamicznych obciążeń. 7. Badania własne 7.1. Tezy i cel pracy Przeprowadzone studia literaturowe i wstępne własne badania doświadczalne żeliwa ausferrytycznego, jako tworzywa do pracy w warunkach obciążeń dynamicznych, dały podstawę do sformułowania następujących tez niniejszej rozprawy doktorskiej: 1. Odlewy o cienkiej i umiarkowanej grubości ścianek można wykonać z niestopowego żeliwa ausferrytycznego, a także skomplikowane kształtowo odlewy o różnych grubościach ścianek, uzyskają stabilność właściwości mechanicznych przy wykorzystaniu opracowanego „OKNA TECHNOLOGICZNEGO”, w zakresie składu chemicznego żeliwa i jego obróbki cieplnej. 2. Optymalne właściwości mechaniczne można uzyskać przez odpowiedni dobór dyspersji ausferrytu (odległość między płytkami ferrytu i austenitu), oraz procentowego udziału austenitu i ferrytu w mikrostrukturze żeliwa ADI. Celem niniejszej pracy było: 1. Uzasadnienie, iż żeliwo sferoidalne niestopowe, po obróbce cieplnej jako żeliwo ausferrytyczne jest tworzywem konstrukcyjnym o znacznym potencjale utylitarnym jako tworzywo na odlewy cienkościenne i o umiarkowanej grubości ścianek. Przeprowadzone doświadczalne zabiegi hartownia odlewów z przemianą izotermiczną klasycznego żeliwa sferoidalnego, w szerokim zakresie parametrów procesowych, udowodnią postawione tezy. 2. Poznanie wpływu parametrów procesowych tego zabiegu uszlachetniającego odlewów z żeliwa wykonywanych wg, stosowanej technologii produkcyjnej metalurgicznoodlewniczej, na mikro- strukturę żeliwa ausferrytycznego, a w efekcie na wybrane właściwości mechaniczne. 3. Udowodnienie tez, że dyspersja ausferrytu stanowi parametr optymalizacyjny wytwarzania żeliwa ausferrytycznego, przeznaczonego na odlewy pracujące w warunkach obciążeń dynamicznych.. 59.

(61) 4. Opracowanie „OKNA TECHOLOGICZNEGO” żeliwa ADI (ausferrytycznego), zagwarantuje stabilność mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych produkowanych odlewów z tego rodzaju wysokojakościowego żeliwa. 7.2 Zakres prowadzonych badań obejmował: 1. Opracowanie wyjściowego składu chemicznego w tym procesu metalurgicznego żeliwa sferoidalnego: niestopowego dla odlewów cienkościennych, niskostopowego zawierającego pierwiastki stopowe zwiększające jego hartowność, z dodatkami stopowymi dla odlewów z żeliwa o skomplikowanych, zróżnicowanych grubościach ścianek. 2. Wykonanie odlewów wlewków próbnych i odlewów badawczych z żeliwa. 3. Opracowanie parametrów zabiegu hartowania z przemianą izotermiczną. 4. Badania i ocena mikrostruktury (morfologii grafitu i osnowy metalowej) żeliwa sferoidalnego jako wyjściowego do obróbki cieplnej oraz żeliwa ausferrytycznego. 5. Badanie mikrostruktury i przełomów próbek z żeliwa ADI na mikroskopie elektronowym SEM i składu chemicznego faz przy użyciu detektora EDS. 6. Badanie wybranych właściwości mechanicznych żeliwa ausferrytcznego i opracowanie wyników badań. 7. Opracowanie „OKNA TECHNOLOGICZNEGO” dla żeliwa ADI, jako tworzywa na odlewy pracujące w warunkach obciążeń dynamicznych. 8. Wykonanie serii pilotażowej odlewów produkcyjnych wg opracowanej technologii i ocena stabilności procesowej żeliwa ADI. 9. Sformułowanie końcowych wniosków z badań o charakterze poznawczym jak i aplikacyjnym.. 60.