Struktura żeliwa EN-GJS-500-7 w zależności od materiałów wsadowych; Structure of EN-GJS-500-7 cast iron in dependence of charge materials - Digital Library of the Silesian University of Technology

3/22

STRUKTURA ŻELIWA EN-GJS-500-7 W ZALEŻNOŚCI OD MATERIAŁÓW WSADOWYCH

D. BARTOCHA¹

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Zakład Odlewnictwa Politechniki Śląskiej

ul. Towarowa 7, 44-100 Gliwice

STRESZCZENIE

W pracy przedstawiono wyniki analizy ilościowej i jakościowej struktury żeliwa sferoidalnego EN-GJS-500-7 pochodzącego z pięciu wytopów zrealizowanych z użyciem różnych, pod względem jakości i rodzaju, materiałów wsadowych.

Wyznaczono i porównano wartości parametrów opisujących strukturę grafitu badanego żeliwa.

Key words: ductile cast iron, charge materials, graphite structure.

1. WSTĘP

Właściwości żeliwa, mechaniczne, użytkowe itp. zależne są w pierwszym rzędzie od jego struktury. W przypadku żeliwa sferoidalnego decydujący wpływ ma jakość (kształt, ilość i wielkość) wydzieleń grafitu oraz rodzaj osnowy. Struktura żeliwa jest funkcją stanu fizyko-chemicznego ciekłego metalu oraz procesu krystalizacji i krzepnięcia. Jeżeli w badaniach zachowa się takie same warunki topienia (rodzaj pieca, temperatura, zabiegi metalurgiczne, wyłożenie kadzi i pieca) oraz krzepnięcia i krystalizacji (konstrukcja i materiał formy, temperatura zalewania), to na podstawie struktury otrzymanego odlewu można wnioskować o stanie fizyko-chemicznym ciekłego metalu. Zakładając, przy niezmienności wymienionych wyżej czynników, że na stan ciekłego żeliwa wpływa tylko jakość i rodzaj materiałów wsadowych, można na podstawie analizy struktury wnioskować i oceniać ten wpływ. Wykorzystując powyższe założenia w pracy podjęto próbę oceny wpływu jakości i rodzaju materiałów wsadowych na strukturę żeliwa sferoidalnego.

1 dr inż. dariusz.bartocha@polsl.pl

34

2. BADANIA I WYNIKI

Ilościowej i jakościowej analizie poddano strukturę żeliwa sferoidalnego EN-GJS- 500-7 pochodzącego z pięciu wytopów zrealizowanych przy użyciu różnych pod względem jakości i rodzaju materiałów wsadowych. Szczegółowo wytopy te zostały opisane w [1]. Analizę wykonano przy pomocy programu MultiScan 13.01. Do opisu jakości wydzieleń grafitu przyjęto współczynnik kształtu grafitu C [2, 3, 4]. Jest on określany jako stosunek obwodu koła Ok do obwodu wydzielenia grafitu Ow, dla warunku: pole powierzchni wydzielenia Fw jest równe polu powierzchni koła Fk wg wzoru:

C = Ok/Ow (1)

dla warunku:

Fw = Fk

Wyniki przeprowadzonych pomiarów posłużyły do sporządzenia histogramów rozkładu ilości wydzieleń grafitu Na w funkcji współczynnika kształtu C. Histogramy wraz z przykładowymi obrazami struktury przedstawiono na rysunkach 1 – 5.

W 1

0,85 0,56 1,41 2,82 1,97 2,82

6,48 6,48 14,37

18,31 43,94

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

C=Ok/Ow

Na(C) [%]

Rys. 1. Histogram rozkładu ilości wydzieleń grafitu w funkcji współczynnika kształtu C, dla wytopu 1.

Fig. 1. Histogram of graphite amount in function of shape coefficient C distribution, for melt 1.

35

W 2

0,19 1,31 0,75 2,43 2,43 5,78 5,41 6,34 10,07 12,87

52,43

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

C=Ok/Ow

Na(C)[%]

Rys. 2. Histogram rozkładu ilości wydzieleń grafitu w funkcji współczynnika kształtu C, dla wytopu 2.

Fig. 2. Histogram of graphite amount in function of shape coefficient C distribution, for melt 2.

Rys. 3. Histogram rozkładu ilości wydzieleń grafitu w funkcji współczynnika kształtu C, Fig. 3. Histogram of graphite amount in function of shape coefficient C distribution, for

W 3

0,36 0,73 1,46 1,82 2,92

1,82

7,30 9,12 21,53

27,37 25,91

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

C=Ok/Ow

Na(C)[%]

dla wytopu 3.

melt 3.

36

Rys. 4. Histogram rozkładu ilości wydzieleń grafitu w funkcji współczynnika kształtu C, W 4

0,00 0,00 1,61 3,23

0,81 4,03

6,05 13,31

18,15 27,42

25,40

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

C=Ok/Ow

Na(C) [%]

dla wytopu 4.

Fig. 4. Histogram of graphite amount in function of shape coefficient C distribution, for melt 4.

Rys. 5. Histogram rozkładu ilości wydzieleń grafitu w funkcji współczynnika kształtu C, dla wytopu 5.

Fig. 5. Histogram of graphite amount in function of shape coefficient C distribution, for

0,26 0,26 0,51 1,80 3,34 3,60 4,37

10,80 13,88

30,08 31,11

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

C=Ok/Ow

Na(C)[%]

W 5

melt 5.

37

Tab

do przedziałów 0,9 < C < 1 i 0,8 < C < 1

able 1. Graphite fraction and number about value of shape coefficient C belongs to 0,9 < C < 1 and 0,8 < C < 1 ranges

Na(C) grafitu [%]

ela 1. Udział i liczebność wydzieleń grafitu o wartości współczynnika kształtu „C” należącej T

0,9 < C < 1

Na(C) [%] 0,8 < C < 1

Na(C) [%] 0,9 < C < 1

Na(C) 0,8 < C < 1 Udział

I 76,62 89,58 272 318 3,55

75,37

II 87,12 404 467 7,2

III

IV 74,82 91,24 205 250 6,33

8,82 70,97 90,33 176 224

V 75,06 90,23 292 351 9,61

Prz się, ż współ kształ

najm powin erać si

zeg przypa ożna p ten r do 0 1. U

yjmuje e dla dobrego żeliwa sferoidalnego czynnik tu C przy niej 70% sferoidów ien zawi ę w przedziale 0,9 < C < 1;

w szc ólnych dkach m rzedział ozszerzyć ,8 < C < dział liczebność wydzieleń grafitu spełniających ten warunek w poszczególnych wytopach przed

i

stawiono w tabeli 1. Wszystkie badane żeliwa spełniają warunek dobrej jakości ze względu na odpowiedni kształt, odpowiedniej ilości wydzieleń grafitu. Jednakże całkowita liczebność i liczebność wydzieleń w poszczególnych klasach (histogramy) w zestawieniu z udziałem powierzchniowym grafitu (tabela 1) wskazują na duże różnice w strukturze grafitu poszczególnych żeliw. Wynika z tego, że współczynnik kształtu C nie może być stosowany jako jedyne kryterium oceny jakości żeliwa sferoidalnego. Dlatego poszukując „ostrzejszego” kryterium oceny struktury grafitu sporządzono rozkłady liczebności sferoidów w klasach wartości zlogarytmowanego pola powierzchni. Przykładowy rozkład przedstawiono na rysunku 6.

2 e

e

e e e e 2

ne ne

ne ne ne

ne

)))) BD log(

( exp(

1 (

))) BD log(

( exp(

( )))) BD log(

( exp(

1 (

))) BD log(

( exp(

) ( BD (

Na Z W

W Z Z U W

Z

W Z Z

U

−

⋅ +

−

⋅

⋅ + ⋅

−

⋅ +

−

⋅

⋅

= ⋅ (2)

gdzie:

Une – wskaźnik sumarycznej liczby wydzieleń, Zne – zróżnicowanie wielkości wydzieleń,

Wne – średnia logarytmiczna wielkość powierzchni wydzieleń, – wskaźnik sumarycznej liczby wydzieleń,

erzchni wydzieleń, indek

asowano także do otrzymanych rozkładów krzywą aproksymującą o postaci przed nością (2), dopasowanie przeprowadzono metodą regresji

Ue

Z – zróżnicowanie wielkości wydzieleń, e

W – średnia logarytmiczna wielkość powie

BD – pole powierzchni wydzieleń, sy:

e – eutektyczny ne – nadeutektyczny Dop

stawionej zależ

38

kroko każdego wytopu, wartości współczynników zależności, które zostały zestawione w tabeli 2. Histogramy wszystkich badanych żeliw chara

Ue Ze We R

wej wyznaczając, dla

kteryzowały dwa lokalne maksima, wymagało to zastosowanie dwuczłonowej funkcji rozkładu gdzie pierwszy człon opisuje wydzielenia grafitu o mniejszych rozmiarach drugi zaś wydzielenia o większych rozmiarach. Wychodząc z założenia, że w strukturze badanych żeliw muszą występować zarówno grafit eutektyczny i nadeutektyczny (są to stopy okołoeutektyczne [1]) współczynniki członu opisującego wydzielenia o większych rozmiarach zaindeksowano „ne” natomiast o mniejszych „e”, odpowiednio nadeutektyczne i eutektyczne.

Tabela 2. Wartości współczynników krzywej aproksymującej Table 2. Values of approximation curve’s coefficients

Une Zne Wne

I 11,37 9,03 0,09 43,59 4,23 -0,50 0,95

II 1,16 28,96 -0,28 96,19 3,24 -0,42 0,95

8 4,95 -0,53 0,95

IV 7 26,03 2,83 - 0,96

III 6,33 16,73 0,28 46,9

3,06 6,10 0,35 0,29

V 11,12 23,08 0,25 28,05 4,03 -0,37 0,99

W 5

7

26 29

18 18 20 25 43

66 68

43

13

6 6

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 log(BD) [µm²]

Na(BD)

Rys. 6. Histogram rozkładu liczebności grafitu w klasach zlogarytmowanej wielkości powierzchni BD z krzywą aproksymującą, wytop V.

Fig. 6. Histogram of graphite number in class of BD area size distribution with approximation curve, melt V.

39

Uzyskano w ten sposób szereg wartości liczbowych opisujący strukturę grafitu żeliwie sferoidalnym, wartości nadających się do łatwej i szybkiej analizy,

czególnie gdy dysponujemy dostatecznie dużym, statystycznie ważnym, zbiorem artości współczynników opisujących strukturę reprezentatywnej grupy żeliw.

w sz w

0 10 20 30 40 50 60 70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

log(DB)[µm²]

Na(BD)

80 90

III

II V

IV I

Rys. 7. Graficzne zestawienie krzywych rozkładu liczebności wydzieleń grafitu w funkcji ich wielkości.

Fig. 7. Graphic comparison of distribution curves of graphite number in function of its size.

3

nej ielkości powierzchni do opisu struktury grafitu w żeliwie sferoidalnym i pozwoliło kturze żeliwa wytopionego z materiałów wsadowych dobrej kości (wytop 1, 2 i 3) i żeliwa wytopionego z materiałów gorszej jakości (wytop 4 i 5)

]. S

. PODSUMOWANIE

Zastosowanie histogram rozkładu liczebności grafitu w klasach zlogarytmowa w

wykazać różnicę w stru ja

[1 truktura żeliwa z wytopu 4 i 5 charakteryzuje się większym udziałem dużych wydzieleń grafitu w porównaniu z wytopami 1, 2 i 3, co widać na rysunku 7, mimo tego że współczynniki nasycenia eutektycznego, obliczone na podstawie składu chemicznego tych żeliw wynoszą odpowiednio: 0,99 i 1,05 oraz 1,02, 0,99 i 0,96.

Wskazuje to na ścisły związek tych różnic z jakością i rodzajem materiałów wsadowych użytych w poszczególnych wytopach a zatem z jakością metalurgiczną ciekłego metalu.

Wyniki uzyskane w pracy znajdują potwierdzenie w wynikach badań nad związkiem

40

właściwości mechanicznych i odlewniczych żeliwa sferoidalnego z rodzajem i jakością materiałów wsadowych [1].

LITERATURA

[1] D. Bartocha: Właściwości żeliwa EN-GJS-500-7 w zależności od materiałów wsadowych. Archiwum Odlewnictwa, nr 22, rocznik 6, 2006.

rz, S. Jura: Parametry stereologiczne grafitu i skład chemiczny określający właściwości mechaniczne żeliwa sferoidalnego. Archiwum

[3] go metodą ATD.

[4]

hiwum Odlewnictwa nr 1 (2/2) 2001

UMMARY

In the work results of quanti ative analysis of microstructure of uctile cast iron EN-GJS-500-7 have been presented. Cast iron was prepared in five been realized with different in quality and kind respect charge materials.

alues of parameters describes graphite’s microstructure of tested cast iron have been deter

[2] M. Stawa

Odlewnictwa, nr 4, rocznik 2, 2002.

M. Stawarz, J. Szajnar: Ocena jakości żeliwa sferoidalne Archiwum Odlewnictwa, nr 10, rocznik 3, 2003.

Jura S., Jura Z.: Wpływ składu chemicznego i stopnia sferoidyzacji grafitu na właściwości mechaniczne żeliwa. Arc

STRUCTUREOF EN-GJS-500-7 CAST IRON IN DEPENDENCE OF CHARGE MATERIALS

S

tative and qualit d

melts that had V

mined and compared.

Recenzował Prof. Jan Szajnar