OCENA JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO EN-GJS-400-15 … · I’ 501 792 -0,69 4,06 ... tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie D, – ZG – tangens kąta nachylenia

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

257

30/6

OCENA JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO EN-GJS-400-15

METODĄ ATD

S. PIETROWSKI1, G. GUMIENNY

2

Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka,

ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

STRESZCZENIE

Określono liczbę wydzieleń grafitu w funkcji jego ks ztałtu oraz udział objęto-

ściowy grafitu w zależności od charakterystycznych parametrów krzywych ATD. Opra-

cowano związki eksperymentalne dla określenia stopnia sferoidyzacji grafitu jak rów-

nież własności mechanicznych żeliwa sferoidalnego.

Key words: crystallization, thermal derivative analysis, ductile cast iron.

1. WSTĘP

Nowy kształt próbnika ATD-S oraz podstawy teoretyczne oceny jakości żeliwa

sferoidalnego z wykorzystaniem metody ATD opracował S. Jura ze współpracownika-

mi [1; 2]. Wykazano, że na krzywej derywacyjnej, po zakończonym procesie krystaliza-

cji eutektyki, począwszy od temperatury 1050ºC, a następnie w czasie 60s i 90s od

końca krystalizacji eutektyki, występuje efekt cieplny. Jest on spowodowany mniejszym

przewodnictwem cieplnym żeliwa sferoidalnego:

KmWC

C /)2538(1000

20

(1)

w porównaniu z żeliwem szarym:

KmWC

C /)3352(1000

20

(2)

W związku z tym wykorzystano go do oceny jakości żeliwa sferoidalnego. W celu p o-

prawnej oceny stopnia sferoidyzacji grafitu opracowano wskaźnik kształtu grafitu [1;

1 prof. dr hab. inż., [email protected] 2 mgr inż.

Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6

Archives of Foundry

Year 2002, Volume 2, Book 6

PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308

258

3]. Stwierdzono, że pomiędzy charakterystycznymi parametrami krzywych ATD,

a liczbą wydzieleń grafitu, jego udziałem objętościowym oraz własnościami mech a-

nicznymi Rm, Rp0,2, A5 i HB żeliwa sferoidalnego występują określone związki ekspery-

mentalne. Umożliwia to szybką ocenę jakości żeliwa i możliwość jego korekty przed

zalaniem form.

Wykorzystując opracowane podstawy teoretyczne dokonano oceny jakości że-

liwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-400-15 z wykorzystaniem metody ATD.

2. METODYKA BADAŃ

Krzywe ATD z zas tosowaniem próbnika ATD-S dla 30 wytopów żeliwa sfero-

idalnego ferrytycznego gatunku EN-GJS-400-15 wykonano w Gliwickich Zakładach

Urządzeń Technicznych „GZUT” w Gliwicach. Żeliwo było wytapiane w 1t piecu in-

dukcyjnym tyglowym sieciowej częstotliwości. Sferoidyzację żeliwa wykonano metodą

przewodu elastycznego (PE) stosując przewód INFORM MAG. M9813. Po sferoidyza-

cji żeliwo modyfikowano modyfikatorem Si 90 w ilości 0,9% od masy ciekłego żeliwa

w kadzi odlewniczej.

Skład chemiczny żeliwa określono na Quantowagu w „GZUT”. Zakres składu chemicz-

nego badanego żeliwa przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Zakres składu chemicznego badanego żeliwa sferoidalnego ferrytycznego

Table 1. Chemical composition of ductile cast iron

Zakres składu chemicznego, %

C Si Mn P S Cr Cu Mg Pb

3,340 ÷

3,850

2,383 ÷

2,844

0,077 ÷

0,220

0,032 ÷

0,048

0,009 ÷

0,018

0,014 ÷

0,040

0,017 ÷

0,112

0,033 ÷

0,062

0,0006

÷0,0016

Wskaźnik kształtu grafitu „c”, względną Na i rzeczywistą NaR liczbę wydzieleń grafitu,

względny Vv i rzeczywisty VvR udział objętościowy grafitu oraz własności mechanicz-

ne: Rm, Rp0,2, A5 i HB żeliwa w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD

określono zgodnie z metodyką przedstawioną w pracy [4].

Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie typu MM-348K przy powiększeniu

×100 grafit, zgład nietrawiony, ×500 mikrostruktura, zgład trawiony 4% HNO3 w alko-

holu etylowym.

Badania Rm, Rp0,2 i A5 wykonano na maszynie wytrzymałościowej typu „Instron”,

a pomiar twardości HB na „Briviskopie” dla warunków 187,5/2,5/30.

3. WYNIKI BADAŃ

Przykładowe krzywe ATD badanego żeliwa o składzie: 3,76% C, 2,54% Si,

0,10% Mn, 0,048% P, 0,015% S i 0,043% Mg przedstawiono na rysunku 1. Na krzywej

derywacyjnej występują efekty cieplne od krystalizacji w obszarze:

– „AB” – grafitu pierwotnego,

– „BDEFGH” – eutektyki grafit + austenit,


259

– „I’K’M’ – ferrytu w wyniku przemiany eutektoidalnej austenit ferryt,

oraz „IKM” – zmiany przewodnictwa cieplnego.

Punkt „I” występuje w temperaturze 1050ºC, „K” w temperaturze 1022ºC po

czasie 60s od punktu „H” a „M” w temperaturze 989ºC po czasie 90s od punktu „H”.

0 200 400 600 800 1000

, s

600

800

1000

1200

1400

t,

C

-4

-3

-2

-1

0

1

dt/

d , C/s

o

o

B E FG H I K M I' K' M'

dt/d = f'( )

t = f( )

AD

Punkt s t, C dt/d K/s d

2t/d

2, K/s

2

Pk 64 1156 -1,81 172

A 75 1143 -0,58 -27,1

B 82 1139 -0,72 76

D 95 1133 0,00 37,9

E 105 1134 0,28 –

F 123 1137 0,00 -15,4 G 146 1134 -0,30 -42,4

H 191 1100 -1,39 1,86

I 228 1050 -1,29 5,52

K 251 1022 -1,17 4,58

M 280 989 -1,06 1,36

I’ 501 792 -0,69 4,06

K’ 653 735 -0,06 -2,27

M’ 888 672 -0,42 –

Rys. 1. Krzywe ATD żeliwa sferoidalnego ferrytycznego o składzie: 3,76% C, 2,54% Si, 0,10%

Mn, 0,048% P, 0,015% S, 0,043% Mg

Fig. 1. TDA curves of ductile cast iron with: 3,76% C, 2,54% Si, 0,10% Mn, 0,048% P, 0,015%

S, 0,043% Mg

260

Względną liczbę wydzieleń grafitu Na w funkcji wskaźnika grafitu „c”

[Na = f(c)] dla żeliwa o krzywych ATD pokazanych na rys. 1 przedstawiono na

rysunku 2.

1 12

67

10

12

14

26

21

0

5

10

15

20

25

30

0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95

"c"

Na

, %

Rys. 2 Względna udział powierzchniowy wydzieleń grafitu „Na” w funkcji wskaźnika kształtu „c”

Fig. 2. Relative share of graphite separations „Na” in function of “c” coefficient

Przyjęto, że wskaźnik c (0,80 ÷ 1,0) reprezentuje grafit zwarty i kulkowy,

c (0,65 ÷ 0,70) reprezentuje grafit wermikularny a c < 0,65 grafit płatkowy. Z rys. 2

wynika, że w żeliwie występuje Na = 73% grafitu zwartego i kulkowego, Na = 23%

grafitu wermikularnego i Na = 4% grafitu płatkowego.

Względną objętość wydzieleń grafitu Vv w funkcji wskaźnika kształtu „c” [Vv = f(c)]

pokazano na rysunku 3. Wynika z niego, że względna objętość wydzieleń grafitu zwa r-

tego i kulkowego wynosi Vv = 67%, grafitu wermikularnego Vv = 22% i grafitu płatko-

wego Vv = 11%.

Na rysunku 4 przedstawiono względną liczbę wydzieleń grafitu Na w funkcji ich po-

wierzchni „BD”. Wynika z niego, że przeważający udział Na = 40% ma grafit

o wielkości zawartej w przedziale BD = 6,31 ÷ 39,81m2. Grafit o BD < 6,31m

2 wy-

stępuje w niewielkiej ilości, Na = 8%. Wielkość wydzieleń grafitu jest dość znacznie

zróżnicowana. Oprócz wyżej wymienionych wielkości występuje jeszcze grafit

o powierzchni ”BD” zawartej w przedziale 39,81 ÷ 3981m2.


261

4 4 4

12

16

12

25

14

3

6

0

5

10

15

20

25

30

0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95

"c"

Vv, %

Rys. 3. Względny udział objętościowy wydzieleń grafitu „Vv” w funkcji wskaźnika kształtu „c”

Fig. 3. Relative share of volume graphite separations „Vv” in function of “c” coefficient

0

8

20 20

13

11

16

10

2

00

5

10

15

20

25

1 2,511 6,310 15,85 39,81 100,0 251,2 631,0 1585 3981

BD

Na, %

Rys. 4. Względna udział powierzchniowy wydzieleń grafitu „Na” w funkcji ich powierzchni BD

Fig. 4. Relative share of graphite separations „Na” in function of its area BD

262

Względną objętość wydzieleń grafitu Vv w funkcji ich powierzchni „BD” pokazano na

rysunku 5. Największą objętością wydzieleń Vv = 42%, charakteryzuje się grafit o wiel-

kości BD = 631 ÷ 1585m2 oraz grafit o wielkości BD = 251,2 ÷ 631,0m

2 (Vv = 29%).

Najmniejszą objętością wydzieleń Vv = 14% charakteryzuje się grafit o wielkości

BD = 2,511 ÷ 251,2m2.

0 0 1 2 3

8

29

42

15

00

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 2,511 6,310 15,85 39,81 100,0 251,2 631,0 1585 3981

BD

Vv, %

Rys. 5. Względny udział objętościowy wydzieleń grafitu „Vv” w funkcji ich powierzchni BD

Fig. 5. Relative share of volume graphite separations „Vv” in function of its area BD

Stosując metodę regresji krokowej opracowano następujące zależności staty-

styczne:

– względnej liczby wydzieleń grafitu Na w klasach 08 ÷ 1 – Na08,

– względnej liczby wydzieleń grafitu Na w klasach 09 ÷ 1 – Na09,

– względnej objętości wydzieleń grafitu Vv w klasach 08 ÷ 1 – Vv08,

– względnej objętości wydzieleń grafitu Vv w klasach 09 ÷ 1 – Vv09,

– doraźnej wytrzymałości na rozciąganie Rm,

– umownej granicy sprężystości Rp0,2,

– wydłużenia A5,

– twardości HB,

w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD.


263

Zależności Na08 i Na09 oraz Vv08 i Vv09 w funkcji parametrów krzywych ATD są na-

stępujące:

)(76,1)(92,0)(59,0

15,011,05,1158008

THTFTFTDSDSG

ZGZDTGNa

(3)

o parametrach statystycznych:

– odchylenie standardowe: dNa08 = 6,6 %;

– wartość średnia: Na08s = 67,9 %;

– współczynnik korelacji: R = 0,81;

– test Fishera – Snedecora: F = 7,25;

– test wiarygodności: W = 2,29

)(57,014,024,02,21409 SDSFZDTHNa (4)


dNa09 = 14,3 %; Na09s = 40,0 %; R = 0,70; F = 8,12; W = 1,74

KIKH

TETDTAVv

8,712,34

42,427,505,17,34108 (5)


dVv08 = 15,6%; Vv08s = 62,5 %; R = 0,75; F = 6,25; W = 1,91

)(88,1)(77,0)(46,1

24,02,3926,07,24409

TFTDSDSGSDSF

ZDKGTHVv

(6)


dVv = 29,3%; Vvs = 31,0 %; R = 0,77; F = 5,69; W = 1,97

gdzie:

– TA – temperatura w punkcie A,

– TD – temperatura w punkcie D,

– TH – temperatura w punkcie H,

– TK – temperatura w punkcie K,

– TD – TF – różnica temperatur między punktami D i F,

– TF – TH – różnica temperatur między punktami F i H,

– KG – pochodna temperatury po czasie w punkcie G,

– KH – pochodna temperatury po czasie w punkcie H,

– KI – pochodna temperatury po czasie w punkcie I,

– ZD – tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie D,

– ZG – tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie G,

– SF – SD – czas między punktami F i D,

– SG – SD – czas między punktami G i D.

264

Dla wybranych próbek obliczono wielkości wg zależności (3) ÷ (6). Umieszczono je,

obok wartości zmierzonych, w tabeli 2.

Tabela 2. Porównanie wielkości zmierzonych i obliczonych dla wybranych próbek

Table 2. Comparison of measured and computed volumes for chosen samples

Wielkości Wartości, %

pomierzone obliczone Na08 73 86 Na09 47 46

Vv08 67 64 Vv09 40 35

Wykorzystując również metodę regresji krokowej opracowano własności me-

chaniczne Rm, Rp0,2, A5 i HB w funkcji składu chemicznego żeliwa oraz wielkości

i kształtu grafitu Vv, VvR, i Na08R:

MnSiCRm 6,469,206,686,637 (7)


dRm = 1,18%; Rms = 428,1 MPa; R = 0,89; F = 33; W = 4,42

RVCR vp 0906,07,713,5282,0 (8)


dRp0,2 = 2,74%; Rp0,2s = 265,5 MPa; R = 0,83; F = 29; W = 3

CrMnCA 4,6411472,15 (9)


dA5 = 3,97%; A5s = 17 %; R = 0,73; F = 9,4; W = 1,9


265

RNRVCu

SPSiCHB

av 0807,00904,04,289

46003,8125,255,129,295

(10)


dHB = 3,26%; HBs = 156,5; R = 0,83; F = 6,87; W = 2,5

gdzie:

09aN – względny udział powierzchniowy grafitu w klasach (09 ÷ 1), %,

100

0808

LWGNRN a

a

– rzeczywista liczba wydzieleń grafitu na po-

wierzchni próbki w klasach (08 ÷ 1), szt.

100

0909

LWGVRV v

v

– rzeczywista liczba wydzieleń grafitu w objętości

próbki w klasach (09 ÷ 1), szt.

LWG – liczba wydzieleń grafitu na 1 mm2, szt.

W tabeli 3 przedstawiono wartości pomierzonych i obliczonych własności mechanicz-

nych żeliwa wg zależności (7) ÷ (10).



Wielkości Wartości

pomierzone obliczone Rm, MPa 430 428

Rp0,2, MPa 270 272

A5, % 17 17 HB 143 147

266

Stosując metodę regresji krokowej opracowano zależności własności mecha-

nicznych Rm, Rp0,2, A5 i HB w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD:

TKKGKERm 59,07,275,581013 (11)


dRm = 1,36%; Rms = 426,8 MPa; R = 0,78; F = 10,9; W = 2,24

)(22,0)(7,02,0

336,389,083,07,2772,0

SDSGSDSFZG

KGKETKTHRp

(12)


dRp0,2 = 1,74%; Rp0,2s = 261,8 MPa; R = 0,75; F = 3,2; W = 1,6

)(05,0)(3,0)(05,0

02,01,37,605,04,415

THTFTFTDSDSF

ZGKHKETGA

(13)


dA5 = 3,08%; A5s = 16,9 %; R = 0,85; F = 5,7; W = 2,4

)(15,427,020,032,08,157

8,9126,305,671,197,40,702

THTFTKZGZFKG

KETHTGTETDHB

(14)


dHB = 2,24%; HBs = 157,3; R = 0,95; F = 11,1; W = 5,6


267

W tabeli 4 przedstawiono porównanie zmierzonych i obliczonych własności mech a-

nicznych żeliwa dla wybranych próbek wg zależności (11) ÷ (14).



Wielkości Wartości

pomierzone obliczone Rm, MPa 430 419

Rp0,2, MPa 270 255 A5, % 17 18

HB 143 128

4. WNIOSKI

Z przedstawionych w pracy badań wynikają następujące wnioski:

– występuje ścisła korelacja pomiędzy kształtem i wielkością grafitu Na, Vv, własno-

ściami mechanicznymi Rm, Rp0,2, A5 i HB a charakterystycznymi punktami krzy-

wych ATD,

– własności mechaniczne Rm, Rp0,2, A5 i HB są funkcją kształtu i wielkości grafitu Na

i Vv oraz składu chemicznego żeliwa,

– metoda ATD może i powinna być stosowana do kontroli jakości żeliwa sferoida l-

nego.

LITERATURA

[1] Jura S. i in., Zastosowanie metody ATD do oceny jakości żeliwa sferoidalnego , Ar-

chiwum Odlewnictwa, nr 1 (1/2), 2001, s. 93.

[2] Jura S. Jura Z., Wpływ funkcyjnych parametrów stereologicznych grafitu na właści-

wości mechaniczne żeliwa sferoidalnego , Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2),

2001, s. 175.

[3] Jura S., Jura Z., Wpływ składu chemicznego i stopnia sferoidyzacji grafitu na wła-

sności mechaniczne żeliwa, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2), 2001, s. 167.

[4] Pietrowski S., Gumienny G., Metodyka przygotowania oceny jakości żeliwa sferoi-

dalnego z zastosowaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, vol. 2, nr 6, 2002,

s. 249

268

QUALITY ASSESMENT OF DUCTILE CAST IRON EN-GJS-400-15 WITH

TDA METHOD

SUMMARY

We have defined the number of graphite separations in function of its shape

and the graphite separations share depending on the characteristic parameters of TDA

curves. We have also delineated experimental relations necessary to define the degree of

the spheroidization process as well as mechanical properties of ductile cast iron.

Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Jura

Pracę wykonano w ramach realizacji grantu KBN nr 4T08B 013 22426

Documents

OCENA JAKOŚCI ŻELIWA SFEROIDALNEGO EN-GJS-400-15 … · I’ 501 792 -0,69 4,06 ... tangens kąta nachylenia krzywej krystalizacji w punkcie D, – ZG – tangens kąta nachylenia