Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
149
STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE ŻELIWA ADI
M. KACZOROWSKI1
Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki systematycznych badań właściwości mechanicz-
nych oraz strukturalnych standardowego żeliwa z grafitem sferoidalnym gatunku 500
07, poddanego hartowaniu izotermicznemu przez różny czas w temperaturze T= 275,
325 i 350oC. W wyniku badań ustalono, że materiał charakteryzuje się złożoną mikro-
strukturą iglastą, charakterystyczną dla żeliwa ADI.
Key words: ADI, microstructure, properties
1. WPROWADZENIE
Na temat żeliwa ADI (ang. Austempered Ductile Iron) napisano już wiele dlatego
nie warto się już powtarzać. Wiadomo, że charakteryzuje się ono unikalną kombinacją
dużej wytrzymałości i ciągliwości. Mimo to, w wielu krajach a w Polsce na pewno nie
doczekało się ono pozycji na jaką zasługuje. By nie tracić cennego miejsca, a jednocze-
śnie przekonać sceptyków o możliwościach tego unikalnego tworzywa warto posłużyć
się niemal szokującym rysunkiem, który można znaleźć w internecie [1].
1 Prof. dr hab. inż. - Zakład Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałowych PW,
ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, e-mail: M.Kaczorowski @ wip.pw.edu.pl
Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2)
Archives of Foundry
Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2)
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
150
Rys.1. Porównanie masy piasty samochodu ciężarowego, wykonanej ze stopu Al. oraz z ADI [1]
Fig. 1. Comparison of the hub truck, one made of Al alloy and the second of ADI [1]
By dodatkowo przekonać o przyszłości stopów żelaza, odwołam się do referatu nt:
„Nadchodzi nowa epoka żelaza”, wygłoszonego przeze mnie na Politechnice Często-
chowskiej z okazji Dnia Odlewnika, aczkolwiek dotyczył on głownie żeliwa
z grafitem zwartym a nie żeliwa ADI.
Nie poszerzając tej części pracy wypada jednak uzasadnić jej cel. Otóż, o ile
na temat własności mechanicznych wiadomo na tyle dużo, by materiał ten znalazł się
w normach ASTM czy DIN czy, o tyle na temat struktury zdania są co najmniej podzie-
lone. Jedni zamiennie używają określenia żeliwo bainityczne – żeliwo ADI, inni obu-
rzają się słysząc takie porównanie. Tak naprawdę nie wiadomo jaka jest osnowa meta-
lowa żeliwa ADI? Wiadomo, że osnowa może być mieszaniną ferrytu, austenitu,
a nawet pewnej ilości martenzytu a nawet węglików, zależnie od stopnia zaawansowa-
nia przemiany rozpadu austenitu przechłodzonego [2]. Cenną pozycją w tym względzie
jest monografia Dymskiego [3], której przytacza szereg informacji na temat kształtowa-
nia struktury żeliwa podczas przemiany izotermicznej.
2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Do badań wytypowano standardowe (niestopowe) żeliwo z grafitem kulkowym
gatunku 500 07. Do badań wykorzystano odlewy próbne w postaci wałków o średnicy
30 mm. Z odlewów wycięto mini-próbki do badań wytrzymałościowych o długości l =
80 mm i średnicy w części pomiarowej 4 mm. Próbki były austenityzowane przez 60
min w temperaturze Ta = 900oC, a następnie hartowane izotermicznie w oleju silikono-
wym przez czas thi = 15, 30, 45, 90 i 180 min. (Thi = 275 i 325oC) lub thi = 15,45 i 90
min. (Thi = 350oC). Po obróbce cieplnej część pomiarowa próbek była szlifowana
w celu usunięcia naddatku po 0.5 mm na stronę, który miał zabezpieczać je przed o d-
węgleniem podczas obróbki cieplnej. W dalszej kolejności próbki poddano badan iom
własności mechanicznych, które obejmowały badania na maszynie wytrzymałościowej
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
151
Instron 1115 celem wyznaczenia Rm, R0.2 oraz pomiary twardości HB. Następnie wyko-
nano obserwacje metalograficzne oraz elektronomikroskopowym w skaningowym –
SEM (ang. Scanning Electron Microscope) i transmisyjnym – TEM (ang. Transmission
Electron Microscope) mikroskopie elektronowym. Pierwsze z nich wykonano na zgła-
dach metalograficznych sporządzonych tradycyjnie, które obserwowano za pomocą
mikroskopu f-my Olympus IX 70.przy zastosowaniu powiększeń od x500 do x1000,
koncentrując się głównie na metalowej osnowie. Przedmiotem obserwacji w SEM były
powierzchnie przełomów próbek, zerwanych na maszynie wytrzymałościowej. Do o b-
serwacji w TEM wykorzystano, tzw. cienkie folie sporządzone metodą polerowania
jonowego. Podczas badań w TEM wykorzystano techniki jasnego i ciemnego pola a
także mikrodyfrakcję z wybranych fragmentów badanych obszarów.
3. WYNIKI BADAŃ
3.1. Badania własności mechanicznych
Wyniki badań własności mechanicznych podano w tabeli 1. Każda z wartości
podanych w tablicy dotycząca badań na maszynie wytrzymałościowej jest średnią
z wyników z trzech pomiarów. Wyniki badań twardości są średnią co najmniej 12 p o-
miarów, spośród których dwa skrajne odrzucono zaś pozostałe obrobiono statystycznie
podając odchylenie standardowe. W ostatniej kolumnie tabeli 1 podano stosunek
umownej granicy plastyczności do nominalnej wytrzymałości na rozciąganie, która
może być pomocny przy interpretacji zjawisk, jakie dokonały się w materiale podczas
hartowania izotermicznego.
Tabela 1. Wyniki badań własności mechanicznych
Table .The result of mechanical testing
Parametry hartowania Rm Rm A10 HBśr R0.2/Rm Thi [
oC] thi [min] [MPa] [MPa] [%]
275
15 771 1463 2.03 412 4.8 0.53
30 996 1466 1.97 416 5.9 0.69
45 1125 1523 2.27 414 7.9 0.74
90 1204 1514 1.57 412 7.1 0.79
180 1247 1471 1.23 423 4.4 0.85
325
15 996 1270 2.7 354 8.9 0.78
30 1040 1284 2.63 361 4.8 0.81
45 1048 1288 2.53 347 4.2 0.81
90 1018 1245 2.10 364 5.6 0.82
180 1062 1271 2.17 361 5.6 0.84
350
15 841 1125 4.8 326 8.9 0.75
45 898 1078 3.08 323\ 4.7 0.83
90 921 1126 3.27 330 4.7 0.82
152
3.2. Wyniki badań strukturalnych
3.2.1. Wyniki badań metalograficznych
Na rys.2 pokazano tylko dwa spośród wielu zdjęć wykonanych dla żeliwa z grafi-
tem sferoidalnym na poszczególnych etapach przemiany austenitu przechłodzonego.
Rys.2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie 15 minut w temperaturze: a – 275oC, b – 350oC(zgłady trawione Nitalem; powiększenie x 500)
Fig.2. The microstructure of ductile iron isothermaly quenched 15 min at temperature: a – 275oC
and b – 350oC
Na obu zdjęciach jest widoczna charakterystyczna mikrostruktura iglasta, jakkolwiek
różnią się one nieco między sobą. Różnice polegają przede wszystkim na tym, że w
wypadku Thi = 350oC, są widoczne specyficzne „pakiety” igieł bądź listew.
3.2.2. Wyniki obserwacji w SEM
Na rys.3. pokazano typowe przełomy żeliwa hartowanego izotermicznie, które
ukazują charakterystyczne kratery typowe dla przełomów transkrystalicznych materia-
łów o znacznej ciągliwości. O ile, na przełomach klasycznego żeliwa sferoidalnego,
nawet ferrytycznego o wydłużeniu 15% i więcej obserwuje się płaszczyzny łupliwości
{100}, o tyle obecność kraterów świadczy o występowaniu fazy o sieci RSC odznacza-
jącej się duża liczbą systemów poślizgu o najgęstszym upakowaniu przez atomy [4]. W
tym wypadku fazą taką może być tylko przesycony węglem austenit.
a b
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
153
Rys.3. Morfologia powierzchni przełomu żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie przez
czas 15 min. W temperaturze: a – 275oC i b – 350oC.
Fig. 3. The morphology of fracture surface of ductile iron austempered 15 min. at the tempera-
ture: a – 275oC and b – 350oC
3.2.3. Obserwacje w TEM
Na rys.4 pokazano przykłady struktury żeliwa sferoidalnego hartowanego izote r-
micznie 15 minut (rys.4a,b) i 180minut (rys.4c,d) w temperaturze 275oC.
a b
a b
154
Rys.4. Przykłady struktury żeliwa sferoidalnego hartowanego 15minut w temperaturze 275oC.:
a – x 100.000, b – x 75.000, oraz 180 minut: c – x 25.000 i d – x 30,000
Fig.4. The structure of ductile iron austempered 15 min. at 275oC: a – x 100.000, b – x 75.000,
and 180 min.: c – x 25.000 i d – x 30,000
Z kolei na rys.5 zamieszczono mikrografie elektronowe struktury żeliwa z grafitem
kulkowym hartowanego w temperaturze 350oC przez czas 15 minut (rys.5a,b) oraz 90
minut (rys.5c,d).
c d
a b
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
155
Rys.5. Struktura żeliwa sferoidalnego po hartowaniu izotermicznym w temperaturze 350oC przez
czas 15 minut: a – x 30.000, b – x 40.000 i 90 minut: c – x 25.000 (obraz w jasnym polu) oraz d –
x 25.000 (ten sam obszar w ciemnym polu) Fig.5. The structure of ductile iron austempered at 350oC with 15 min: a – x 30.000, b – 40.000
and 90 min: c – x 25.000 (bright field) and d – x 25.000 (dark field image)
Szczegółowa analiza szeregu zdjęć mikroskopowych oraz mikrodyfrakcji wykazała, iż
w próbkach hartowanych w temperaturze 275oC, występuje ferryt, austenit a także mar-
tenzyt. W tym ostatnim stwierdzono bliźniaków w postaci cienkich płytek (rys.4a),
których obecność znalazła odzwierciedlenie na obrazach mikrodyfrakcji elektronowej
[5,6]. Warto odnotować, iż w żeliwie hartowanym 180 min. w temperaturze 275oC
znajdują się zarówno austenit (rys.4d) jak i dość znacznych wymiarów węgliki (rys.4c),
które sugerują istotne zaawansowanie przemiany przechłodzonego austenitu w bainit.
Struktura żeliwa sferoidalnego hartowanego 15 minut w temperaturze 350oC skła-
da się z silnie odkształconych płytek (igieł) ferrytu oraz austenitu. W tym ostatnim
występują liczne błędy ułożenia zaznaczone strzałką na rys.5b. Wydłużenie hartowania
do 90 minut prowadzi do wydzielenia Fe3C na granicach ziaren, co doskonale widać na
obrazie w ciemnym polu (rys.5d) otrzymanym z refleksu od cementytu, położonego tuż
w pobliżu refleksu centralnego 000 na obrazie mikrodyfrakcyjnym.
4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Ze względu na ograniczone możliwości przytoczenia pełnej analizy wynikó w
w tym punkcie skoncentrowano się jedynie na krótkim omówieniu dość interesującej
relacji między granicą plastyczności a czasem hartowania izotermicznego w temperatu -
rze Thi=275oC (rys.6a). Wynika z niej jednoznacznie, że o ile wytrzymałość na rozcią-
ganie Rm zmienia się w minimalnym stopniu dla czasu hartowania od 15 do 180 minut o
tyle granica plastyczności R0.2 wyraźnie rośnie, co dowodzi stopniowego umacniania
żeliwa.
c d
156
Rys.6. Zmiana Rm oraz R0.2 w funkcji czasu hartowania izotermicznego w Thi = 275oC – (a) oraz
zmiana A10 w funkcji czasu hartowania izotermicznego w Thi = 275, 325 i 350oC - b
Fig. 6. The Rm and R0.2 change as a function of austempering time at Thi – 275oC – a, and change
of elongation A10 as a function of time for the specimen austempered at Thi = 275, 325 and 350oC
Równocześnie wydłużenie żeliwa hartowanego w temperaturze 275oC, które jest mniej-
sze od wydłużenia uzyskiwanego podczas hartowania temperaturze: 325 i 350oC, osiąga
maksimum po czasie hartowania 45 minut po czym stopniowo maleje (rys.6b). Oznacza
to, że dla żeliwa niestopowego gatunku 500 07 hartowanego izotermicznie w tempera-
turze 275oC, najkorzystniejszą kombinację własności wytrzymałościowych
i plastycznych uzyskuje się dla czasu hartowania ok. 45 minut. Z powyższego można
wnioskować, że powodem takiego zachowania żeliwa wynika najprawdopodobniej
ze stopniowego wydzielania węgla z martenzytu. W tym wypadku jego umocnienie
maleje ale jest ono z nadwyżką rekompensowane przez tworzące się ultradyspersyjne
węgliki, równomiernie rozmieszczone w metalowej osnowie. Dopiero ich wzrost doko-
nujący się w miarę wydłużania czasu hartowania prowadzi do pogorszenia ciągliwości
żeliwa. Jakkolwiek w pracy nie prowadzono badań ilościowych to jednak można d o-
mniemywać, że żeliwo hartowane w wyższej temperaturze, np. 350oC, swoje wysokie
własności plastyczne zawdzięcza najprawdopodobniej obecności znacznej ilości auste-
nitu [3]. W temperaturze 350oC austenit przechłodzony, nawet stabilizowany węglem
ulega dość szybko przekształceniu w mieszaninę ferrytu i węglików, które lokują się na
granicach wydłużonych ziaren ferrytu (rys.5d). W miarę ich wzrostu tworzą one ciągłe
„warstwy”, które ze względu na dużą kruchość sprzyjają pękaniu żeliwa.
Innym wynikiem, nad którym warto się chwilę zastanowić to obecność dość d u-
żych węglików w żeliwie hartowanym przez 15 minut w temperaturze 275oC (rys.4c).
Warto tu dodać, iż węgliki takie obserwowano jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
15 13 45 90 180
Czas hartowania [min]
Wyt
rzym
ało
ść [
MP
a]
Re[MPa]
Rm[MPa]
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
15 30 45 90 180
Czas hartowania izotermicznego [min]
Wyd
łuże
nie
A10
[%]
275oC
325oC
350oC
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
157
sferoidów grafitowych, a więc w pobliżu miejsc będących naturalnym źródłem węgla.
Rozważmy warunki początkowe jakie istnieją w materiale w chwili rozpoczęcia harto-
wania izotermicznego. Jeśli idzie o rozkład węgla możemy oczekiwać, że po austenity-
zacji jego stężenie jest największe w pobliżu sferoidów grafitu, będących źródłem ato-
mów węgla. Oznacza to z jednej strony mniejszą krytyczną szybkość chłodzenia z dru-
giej natomiast to, iż temperatura początku początek przemiany martenzytycznej Ms jest
nieco niższa w porównaniu do tych obszarów o mniejszym stężeniu węgla. Jeśli przy-
jąć, iż oddziaływanie węgla jest analogiczne jak w stali, w której dla zawartości 1.2%C,
temperatura Ms znajduje się poniżej 200oC, zatem nawet z termodynamicznego punktu
widzenia, zarodkowanie martenzytu w tych obszarach nie powinno wystąpić. Skądinąd
wiadomo, że typowa mikrostruktura żeliwa 500 07 składa się ze sferoidów grafitu w
otoczce kilku ziaren ferrytu. Podczas austenityzacji ziarna ferrytu zostają przekształcone
w ziarna austenitu rozdzielone granicami ziaren w ilości na pewno nie mniejszej niż
liczba granic ziaren ferrytu. Te są po pierws ze drogami ułatwionej dyfuzji atomów
węgla, których źródłem są sferoidy grafitu, a po drugie stanowią preferowane miejsca
dla zarodkowania węglików. To wyjaśniałoby fakt obecności dużych wydzieleń cemen-
tytu w pobliżu wydzieleń grafitowych w żeliwie hartowanym przez 15 minut w tempe-
raturze 275oC.
5. WNIOSKI
Wyniki uzyskane w pracy oraz ich analiza umożliwia sformułowanie następują-
cych wniosków:
1. Hartowanie izotermiczne standardowego (niestopowego) żeliwa sferoidalnego g a-
tunku 500 07 w temperaturze Thi = 275, 325 i 350oC umożliwia uzyskanie żeliwa
ADI o wytrzymałości na rozciąganie Rm rzędu 1500 i więcej MPa i wydłużeniu A10
1.5-2%.
2. Mikrostruktura żeliwa sferoidalnego hartowanego izotermicznie w temperaturze Thi
wynoszącej: 275, 325 oraz 350oC jest niejednorodna i zmienia się zależnie
od położenia względem sferoidów grafitu.
3. Znaczna niejednorodność składu chemicznego związana ze specyfiką hartowania
izotermicznego powoduje, że zapoczątkowanie przemian fazowych ich przebieg są
lokalnie różne.
4. Zważywszy, że specyficzne właściwości żeliwa ADI wiążą się przede wszystkim
z obecnością ferrytu i austenitu, bardziej prawidłowym określeniem osnowy meta-
lowej jest ausferryt. Z punktu widzenia własności żeliwa ADI, obecność węglików
jest raczej niepożądana i nawet jeśli pojawią się one lokalnie ich udział nie upoważ-
nia do określania osnowy żeliwa jako bainitycznej. Osnowa taka dyskwalifikuje że-
liwo jako żeliwo ADI.
158
LITERATURA
[1] http://indigo4.gr.rwth-aachen.de/tlyer/squeeze/pic3.html
[2] K. Röhrig: Giesserei- Praxis, nr 1-2 (1983)s.1.
[3] S. Dymski: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoida l-
nego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, nr 95, wyd. ATR, Bydgoszcz,
1999.
[4] Metals Handbook, Ninth Edition, vol 12 Fractography, ASM International, Metals
Park, Ohio, 1987
[5] C.M. Wyman: Martensitic transformation, in „Modern Diffraction and Imaging
Techniques in Materials Science, ed. S. Amelinckx, R. Gevers, G. Remaut and
J.Van Landuyt, North-Holland Publ.Co, Amsterdam, London, 1969
[6] G. Thomas, M.J.Goringe: Transmission Electron Microscopy of Materials, John
Willey & Sons, NY, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1979.
[7] K.W. Andrews, D.J.Dyson, S.R. Keown: Interpretation of Electron Diffraction
Patterns, London, 1968.
THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES
OF AUSTEMPERED DUCTILE IRON
SUMMARY
The results of mechanical and structural investigation of standard 500 07 grade austem-
pered ductile iron are presented. The specimens were solution heat treated at the tem-
perature 900oC and then quenched to the temperature: 275, 325 and 350
oC, where they
were hold for different time. It was concluded that the metal matrix has a very compli-
cated needle like microstructure being typical for austempered ductile iron (ADI).
Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski