PL232412B1

PL232412B1 - Żeliwo wermikularne o osnowie z ausferrytu i węglików

Info

Publication number: PL232412B1
Application number: PL416959A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Gumienny; Barbara Kacprzyk
Original assignee: Politechnika Lodzka
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2019-06-28
Also published as: PL416959A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest żeliwo wermikularne o osnowie z ausferrytu i węglików uzyskiwanej w stanie surowym (bez obróbki cieplnej), zapewniającej uzyskanie z tego żeliwa odlewów o wysokiej odporności na zużycie.

Żeliwa wermikularne o osnowie z ausferrytu charakteryzują się mikrostrukturą złożoną z grafitu wermikularnego (inaczej zwanego krętkowym bądź zwartym) oraz ausferrytu będącego mieszaniną ferrytu bainitycznego oraz austenitu. Austenit jest pożądanym składnikiem osnowy, ponieważ pod wpływem nacisku ulega umocnieniu w wyniku mechanizmu mikrobliźniakowania. Jego ilość w osnowie z ausferrytu waha się od około 10% (w ausferrycie dolnym) do około 40% (w ausferrycie górnym).

W znanych żeliwach wermikularnych z osnową ausferrytyczną osnowę tę uzyskuje się w wyniku obróbki cieplnej odlewów z nich wykonanych, przebiegającej analogicznie jak w przypadku żeliwa ADI (Austempered Ductile Iron - żeliwa sferoidalnego hartowanego z przemianą izotermiczną). Polega ona na nagrzaniu odlewu do temperatury austenityzacji (900-950°C) i wytrzymaniu w tej temperaturze aż do przemiany wszystkich składników osnowy w austenit, a następnie na chłodzeniu odlewu w kąpieli solnej, z prędkością równą bądź większą od krytycznej w zakresie przemiany austenit -» perlit, do temperatury 250-400°C i wytrzymaniu izotermicznym.

Znane jest żeliwo wermikularne o osnowie ausferrytycznej AVI (Austempered Vermicular Iron - żeliwo wermikularne hartowane z przemianą izotermiczną), zawierające następujące pierwiastki w procentach masowych: 3,5-3,8% C, 2,4-2,7% Si, Mn <0,2%, P <0,035%, S <0,015%, 0,14-0,19% Mg, 0,15-0,45% Cr, 0,4-0,6% Cu, 0,5-0,8% Ni, 0,15-0,25% Mo, reszta Fe.

Żeliwo wermikularne o osnowie z ausferrytu i węglików, zawierające Fe, C, Si, Mn, Mo, Cu, P, S, Mg oraz opcjonalnie Cr, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera w procentach masowych 3,38-3,98% C, 2,19-2,72% Si, 0,04-0,33% Mn, 1,50-2,18% Mo, 0,49-2,40% Cu, P<0,06%, S<0,03%, 0,013-0,023% Mg, Cr <0,43%, oraz Fe jako resztę do 100%.

Grafit wermikularny otrzymuje się w żeliwie według wynalazku metodą Inmold, poprzez umieszczenie zaprawy sferoidyzująco-modyfikującej w układzie wlewowym formy odlewniczej, natomiast osnowę ausferrytyczną uzyskuje się w żeliwie według wynalazku w stanie surowym tj. bez obróbki cieplnej odlewu. Udział węglików w osnowie reguluje się poprzez dobór stężenia Mo, Cu i ewentualnie Cr. Zwiększenie stężenia Mo bądź Cr skutkuje zwiększeniem udziału powierzchniowego węglików (ze względu na węglikotwórcze oddziaływanie tych pierwiastków), natomiast większe stężenie miedzi, która jest pierwiastkiem grafityzującym, przeciwdziała temu zjawisku. Odlewy wykonane z żeliwa według wynalazku charakteryzują się również wysoką odpornością na zużycie ścierne i adhezyjne.

Przedmiot wynalazku ilustrują poniższe przykłady wraz z rysunkiem, którego fig. 1 przedstawia kształt i wymiary odlewu wykonanego z żeliwa według wynalazku, natomiast fig. 2a-2d i fig. 3a-3d przedstawiają obrazy mikrostruktury żeliwa odlewach o grubości ściany, odpowiednio, 3, 6,12 i 24 mm.

Przykład 1

Wytopiono żeliwo wermikularne o osnowie z ausferrytu i węglików, o składzie w procentach masowych: 3,44% C, 2,58% Si, 0,04% Mn, 2,03% Mo, 1,49% Cu, 0,27% Cr, 0,04% P, 0,01% S, 0,017% Mg, reszta Fe.

Eutektyczny równoważnik węgla C_e otrzymanego żeliwa był równy 4,32% masowych, zaś stopień nasycenia eutektycznego S_c otrzymanego żeliwa był równy 1,02. Eutektyczny równoważnik węgla obliczono wg wzoru:

C_e = Cc + 0,31 -Si - 0,027-Mn + 0,33-P + 0,40-S - 0,015-Mo - 0,063-Cr + 0,074-Cu gdzie C_o - całkowita zawartość węgla w żeliwie w %.

Stopień nasycenia eutektycznego obliczono z zależności:

gdzie Ceut - zawartość węgla w eutektyce grafitowej obliczona wg zależności:

Ceut = Cc - 0,31 -Si + 0,027-Mn - 0,33-P - 0,40-S + 0,015-Mo + 0,063-Cr - 0,074-Cu

PL232 412 Β1

Mikrostrukturę żeliwa według wynalazku przedstawiono na fig. 2a-2d rysunku. Przedstawiają one mikrostrukturę żeliwa dla odlewu o grubościach ściany 3, 6, 12 i 24 mm (odpowiednio fig. 2a, 2b, 2c i 2d), składającą się z grafitu wermikularnego, ausferrytu i węglików. Z fig. 2a-2d wynika, że przy obecności 2,03% Mo, 1,49% Cu oraz 0,27% Cr w żeliwie wermikularnym uzyskuje się ausferryt oraz węgliki w odlewie o grubości ściany od 3 do 24 mm. Udział powierzchniowy węglików w żeliwie wynosił od około 12% w ściance o grubości 3 mm do około 3% w ściance o grubości 24 mm.

Przykład 2

Wytopiono żeliwo wermikularne o osnowie z ausferrytu i węglików, o składzie w procentach masowych: 3,80% C, 2,25% Si, 0,29% Mn, 1,68% Mo, 2,40% Cu, 0,05% P, 0,02% S, 0,020% Mg, reszta Fe.

Eutektyczny równoważnik węgla Ce otrzymanego żeliwa był równy 4,67% masowych, zaś stopień nasycenia eutektycznego Sc otrzymanego żeliwa był równy 1,30. Eutektyczny równoważnik węgla obliczono wg wzoru:

C_e - Cc + 0,31 -Si - 0,027-Mn + 0,33-P + 0,40-S - 0,015-Mo + 0,074-Cu gdzie C_o - całkowita zawartość węgla w żeliwie w %.

Stopień nasycenia eutektycznego obliczono z zależności:

Ceut = Cc - 0,31 -Si + 0,027-Mn - 0,33-P - 0,40-S + 0,015-Mo - 0,074 Cu

Mikrostrukturę żeliwa według wynalazku przedstawiono na fig. 3a-3d rysunku. Przedstawiają one mikrostrukturę żeliwa dla odlewu o grubościach ściany 3, 6,12 i 24 mm (odpowiednio fig. 3a, 3b, 3c i 3d), składającą się z grafitu wermikularnego, ausferrytu i węglików. Z fig. 3a-3d wynika, że przy obecności 1,68% Mo i 2,40% Cu w żeliwie wermikularnym uzyskuje się ausferryt oraz węgliki w odlewie o grubości ściany od 3 do 24 mm. Udział powierzchniowy węglików w żeliwie wynosił od około 4% w ściance o grubości 3 mm do około 2% w ściance o grubości 24 mm. W porównaniu z żeliwem z przykładu 1 udział powierzchniowy węglików uległ wyraźnemu zmniejszeniu, co jest efektem zwiększenia stężenia Cu (pierwiastka grafityzującego) oraz zmniejszenia stężenia Mo (pierwiastka węglikotwórczego).

Poszczególne żeliwa wytapiano w piecu indukcyjnym firmy Elkon typu PI 30 o częstotliwości 3,8 kHz i pojemności 30 kg. Do wytapiania użyto tygla ubijanego z masy typu MINRO SIL 1001 firmy Allied Minerał Products. Jako wsad zastosowano surówkę o składzie w procentach masowych: 3,91% C, 0,22% Si, 0,05% Mn, 0,072% P, 0,02% S, reszta Fe. Zawartość Si regulowano dodając FeSi75, natomiast jako dodatki stopowe stosowano technicznie czyste Mo i Cu, zaś w przykładzie 1 dodatkowo Cr.

Żeliwa przegrzewano w piecu do temperatury 1520-1530°C, aby temperatura ciekłego stopu w momencie zetknięcia z zaprawą sferoidyzująco-modyfikującą wynosiła 1460-1480°C. Sferoidyzację żeliw prowadzono metodą Inmold w formie do wykonywania odlewów próbnych, stosując zaprawę o następującym składzie w procentach masowych: 44-48% Si, 5-6% Mg, 0,4-0,6% Ca, 0,25-0,40% MZR, 0,8-1,2% Al, reszta Fe. Komora reakcyjna i komora mieszania formy miały kształt kuli o średnicy, odpowiednio, 50 mm i 40 mm w przykładzie 1 oraz 85 mm i 67 mm w przykładzie 2.

Taki ich kształt zapewniał dobre mieszanie zaprawy z ciekłym żeliwem i wysoki uzysk magnezu (powyżej 90%). Do pomiaru temperatury stygnących i krystalizujących żeliw stosowano termoelement typu S (PtRh10-Pt) w osłonce z rurki kwarcowej.

Z żeliw otrzymanych w przykładach 1 i 2 wykonano, w formie z wnęką, odlewy o kształcie schodkowym o grubości ścian 3, 6, 12 i 24 mm (fig. 1). Kształt odlewów umożliwił zbadanie wpływu grubości ścianki na mikrostrukturę żeliwa. Mikrostrukturę badano na zgładach trawionych nitalem, przy powiększeniu x500 na mikroskopie metalograficznym Eclipse MA200 firmy Nikon. Udział powierzchniowy składników określono przy użyciu programu do analizy obrazu NIS-Elements BR, natomiast skład chemiczny żeliw badano na spektrometrze emisyjnym ze wzbudzeniem iskrowym SPECTROMAXx firmy SPECTRO Analytical Instruments GmbH. Proces stygnięcia odlewów do temperatury otoczenia przebiegał w formie w spokojnym powietrzu. Następnie odlewy wybijano z formy, oczyszczano i odcinano układ wlewowy. Próbki do badania składu chemicznego oraz badań metalograficznych pobierano ze środkowych części odlewów.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Żeliwo wermikularne o osnowie z ausferrytu i węglików, zawierające Fe, C, Si, Mn, Mo, Cu, P, S, Mg oraz opcjonalnie Cr, znamienne tym, że zawiera w procentach masowych 3,38-3,98% C, 2,19-2,72% Si, 0,04-0,33% Mn, 1,50-2,18% Mo, 0,49-2,40% Cu, P<0,06%, S<0,03%, 0,013-0,023% Mg, Cr <0,43% oraz Fe jako resztę do 100%.