ul. Zakopiańska 73 30-418 Kraków tel. +48 12 26 18 111 fax +48 12 26 60 870 iod@iod.krakow.pl

PROJEKT NR: POIG.01.03.01-12-061/08 „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne”

ul. Zakopiańska 73 30-418 Kraków tel. +48 12 26 18 111 fax +48 12 26 60 870 iod@iod.krakow.pl

Autor

Zakopane, 23 – 24 maj 2013

Próba ocena jakości żeliwa z różną postacią grafitu

w oparciu o pomiar aktywności tlenu w ciekłym

stopie i wybrane parametry krzywej krystalizacji

Mieczysław Kuder, Andrzej Pytel

www.iod.krakow.pl

Cel Celem prowadzonych badań było określenie właściwości żeliwa,

możliwości optymalizacji procesu metalurgicznego i stabilizacji jakości

odlewów we wczesnym stadium procesu produkcyjnego, przy

zastosowaniu nowoczesnych metod pomiarowych do oznaczania

aktywności tlenu i analizy termicznej

2

Zakres badań

Dla realizacji projektu, przeprowadzono szereg wytopów żeliwa

niestopowego i niskostopowego z zawartością niklu, miedzi

i molibdenu. Przeprowadzono obróbkę stopem SiMg5Ce6

i modyfikatorem złożonym. Podczas prowadzenia wytopów wykonano

pomiary aktywności tlenu w ciekłym stopie, analizę termiczną z

identyfikacją charakterystycznych punktów krzywych krystalizacji

oznaczono skład chemiczny i wykonano badania metalograficzne.

www.iod.krakow.pl

Wprowadzenie Oznaczanie składu chemicznego metodą spektrometryczną, wykonywane najczęściej podczas procesu metalurgicznego żeliwa, nie daje pełnego obrazu jego stanu fizykochemicznego. Między innymi nie uwzględnia stopnia utlenienia, a tlen aktywny zawarty w kąpieli powoduje zgar wprowadzanych składników zapraw oraz zmiany w przebiegu procesu krystalizacji. Przy stosowaniu stałych parametrów obróbki, nie zawsze otrzymuje się efekty zgodne z oczekiwanymi. Różnice dotyczą przede wszystkim postaci i rozłożenia wydzieleń grafitu, które mają znaczący wpływ na właściwości tworzywa. W celu ustabilizowania właściwości wytapianego żeliwa, podjęto próby zastosowania nowych metod pomiarowych jako uzupełnienie tradycyjnego oznaczana składu chemicznego do bieżącej oceny jakości produkowanego stopu.

3

www.iod.krakow.pl

Liczne badania udowodniły ścisły związek przebiegu krzywej

chłodzenia z właściwościami żeliwa, takimi jak między innymi: skurcz

całkowity, skłonność do tworzenia wad typu skurczowego,

mikrostruktura stopu po zakrzepnięciu w formie odlewniczej w tym

parametry wydzieleń grafitu (postać, ilość, rozłożenie) oraz obecność

zabieleń, twardość i wytrzymałość mechaniczna.

4

Krzywa chłodzenia żeliwa z opisanymi punktami

charakterystycznymi krystalizacji Obszary krystalizacji żeliwa

odpowiedzialne za powstawanie różnych

postaci wad typu skurczowego w odlewie

www.iod.krakow.pl

5

Parametr Żeliwo szare Żeliwo wyjściowe

do sferoidyzacji Żeliwo sferoidalne

TElow, °C 1135 – 1155 > 1145 1135 - 1150

R, °C 3 - 8 < 8 1 – 5

GRF 1 40 – 80 > 80 70 - 120

GRF 2 15 - 35 < 35 35 – 60

TS, °C 1100 - 1125 < 1105 1080 - 1105

S1 Zależnie od

gatunku

(wytrzymałości)

0 – 5 (zależnie od

grubości ścianki)

Typowe wartości niektórych

parametrów żeliwa z krzywej

krzepnięcia określone

systemem ATAS

(wg NovaCast)

Zależność struktury od

przebiegu krystalizacji

żeliwa

www.iod.krakow.pl

Analogiczne zależności ustalono również w przypadku pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie poddanym obróbce stopami magnezu. Podstawą są zależności ustalone przez F. Seutensa, wiążące postać wydzieleń grafitu, wydłużenie i skłonność do tworzenia makroporowatości żeliwa od aktywności tlenu w ciekłym żeliwie, zmierzonej bezpośrednio przed zalewaniem form. Typowe wartości aktywności tlenu w ciekłym żeliwie, [ppb] grafit sferoidalny: 50–140 grafit wermikularny: 140–300 grafit płatkowy: 300–1500

6

www.iod.krakow.pl

Plan badań

• przeprowadzenie wytopów doświadczalnych żeliwa

o zróżnicowanej zawartości pierwiastków stopowych (Cu, Ni i Mo)

• obróbka zaprawą magnezowo-cerową

• pomiar aktywności tlenu w ciekłym żeliwie - bazowym i końcowym

• wykonanie analizy termicznej dla

określenia parametrów

charakterystycznych punktów

krzywej krystalizacji

• badania metalograficzne

• badania wytrzymałościowe

7

www.iod.krakow.pl

8

System pomiarowo- analityczny ATAS

System pomiarowy Celox-Foundry

www.iod.krakow.pl

9

www.iod.krakow.pl

Pomiary aktywności tlenu

w ciekłym żeliwie wykonano aparatem Celox®-Foundry firmy Heraeus

Electro-Nite.

Aktywność tlenu rozpuszczonego w kąpieli określana jest przez pomiar

siły elektromotorycznej odpowiednio dobranego ogniwa stężeniowego,

stanowiącego zasadniczy element jednorazowego czujnika CF-Nod o

czułości rzędu 1 ppb.

10

Ekranu przyrządu Multi-Lab III

z wykresem przebiegu

i wynikami pomiaru

www.iod.krakow.pl

Analizy krzywych krzepnięcia

przeprowadzono przy pomocy systemu pomiarowo-analitycznego

ATAS® firmy NovaCast Foundry Solutions AB w typowych kubkach

pomiarowych Quik-Cup. Podstawowym programem komputerowym do

obsługi tego systemu jest ATAS Verifier.

11

Kubki Quik-Cup podczas

analizy krzepnięcia

systemem ATAS

Ekran programu ATAS z

krzywymi krzepnięcia;

jedną kompletną i drugą w

trakcie wykreślania

www.iod.krakow.pl

Wyniki badań i oznaczeń

12

Skład chemiczny żeliwa z wytopów doświadczalnych

Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f

Zaw

art

ość p

ierw

iastk

ów

% w

ag

ow

y

C 4,02 3,85 4,05 3,85 3,9 3,7 3,83 3,47

Si 1,20 2,06 1,40 2,32 1,54 2,30 1,80 2,55

Mn 0,56 0,57 0,48 0,50 0,43 0,44 0,47 0,48

P 0,053 0,055 0,05 0,05 0,048 0,054 0,048 0,053

S 0,025 0,022 0,025 0,02 0,02 0,015 0,025 0,02

Mg 0 0,025 0 0,018 0 0,017 0 0,019

CE 4,35 4,39 4,43 4,46 4,31 4,30 4,30 4,13

Ni+Cu+Mo 0,96 0,97 2,24 2,22 0 0 1,18 1,21

CE = C + 1/4Si + 1/2P

www.iod.krakow.pl

13

Aktywność tlenu w żeliwie z wytopów doświadczalnych

Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f

temp., oC 1464 1465 1478 1474 1464 1469 1447 1445

Emf, mV -139,3 -235,7 -17,6 -241,8 -132,1 -241,9 -158,7 -247,2

aO, ppb 870 162 4444 136 957 141 631 157

bO, ppm 1,366 0,378 7,951 0,389 1,499 0,368 0,866 0,256

Wykresy przebiegu pomiaru aktywności tlenu w żeliwie nr 24 bazowym

(a) i finalnym (b)

a) b)

www.iod.krakow.pl

14

Parametry wybranych punktów charakterystycznych krzywych

krystalizacji ustalone przez system ATAS dla badanych żeliw

Wytop 24b 24f 25b 25f 28b 28f 29b 29f

ACEL 4,34 4,37 4,30 4,21 4,33 4,28 3,93 3,81

TL 1136 1133 1186 1151 1137 1143 1182 1196

TES 1136 1133 1173 1147 1137 1141 1172 1185

TElow 1136 1133 1151 1147 1137 1141 1156 1149

TEhigh 1146 1140 1155 1147 1146 1144 1157 1149

R 10 7 4 0 9 3 1 0

S1 0 0 21 6 0 6 30 28

S2 32 15 19 1 38 43 15 22

S3 68 85 60 93 62 51 55 50

GRF1 76 85 85 95 16 51 94 68

GRF2 61 96 92 168 55 72 27 69

Austenit pierw. 0 0 0 2 0 1 10 18

TS 1107 1083 1119 1077 1078 1086 1114 1088

www.iod.krakow.pl

15

Zrzuty ekranów: wyników, pochodnych

i oceny programu ATAS Verifier dla

bazowego żeliwa 24b

www.iod.krakow.pl

16

Zrzuty ekranów: wyników, pochodnych

i oceny programu ATAS Verifier dla

końcowego składu żeliwa 24f

www.iod.krakow.pl

17

Żeliwo z wytopu 24; zgład nietrawiony,

grafit wermikularny

Żeliwo z wytopu 25; zgład nietrawiony,

grafit płatkowy zwichrzony

Żeliwo z wytopu 28; zgład nietrawiony,

grafit wermikularny + kulkowy

Żeliwo z wytopu 29; zgład nietrawiony

Grafit płatkowy, drobny (przechłodzenia)

+ wermikularny

www.iod.krakow.pl

18

Zestawienie

wyników

Żeliwo 24 28 25 29

aO, ppb 162 141 136 157

GRF1 85 51 95 68

GRF2 96 72 168 69

R, oC 7 3 0 0

ACEL 4,37 4,28 4,21 3,81

CE 4,39 4,30 4,46 4,13

Mg, % wag. 0,025 0,017 0,018 0,019

Ni+Cu+Mo 0,97 0 2,22 1,21

Re, Mpa 280 280 0 94

Rm, Mpa 298 344 156 104

A, % 1,2 4,1 0 1,3

Grafit 90% IIIA6 + 10% VIA7 80% IIIA6 + 20% VIA7 100% IC6 80% ID7 + 20%III6

www.iod.krakow.pl

Podsumowanie:

1. Badaniom poddano żeliwo niestopowe i niskostopowe (Ni-Cu-Mo), poddane

wermikularyzacji, przeznaczone na odlewy pracujące w warunkach zmęczenia

cieplnego

2. Obróbka zaprawą SiMgCe i modyfikatorem spowodowała znaczące zmiany

aktywności tlenu w ciekłym żeliwie oraz parametrów punktów charakterystycznych

krzywej krystalizacji

3. Końcowa zawartość Mg w żeliwie sugeruje uzyskanie grafitu wermikularnego; w

rzeczywistości postać grafitu była znacznie zróżnicowana i prawdopodobnie

uzależniona od zawartości pierwiastków stopowych

4. Wartości aktywności tlenu w żeliwie końcowym wszystkich wytopów, mieściły się w

dolnej połówce zakresu odpowiadającego żeliwu wermikularnemu, co nie miało

jednak w pełni przełożenia na rzeczywistą postać grafitu

5. Wartości wskaźnika GRF2, służącego do prognozowania postaci grafitu, kształtowały

się powyżej górnej granicy dla żeliwa sferoidalnego, jednak uzyskane wyniki nie

pozwoliły na jednoznaczne określenie tej zależności

6. Użyta w badaniach aparatura określa stan fizykochemiczny żeliwa, jednak do

precyzyjnego prognozowania struktury i właściwości żeliwa na podstawie ich

wskazań niezbędne jest stworzenie obszernej bazy danych porównawczych

uzyskanych przez obróbkę statystyczną wiarygodnych wyników

19

www.iod.krakow.pl

Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.

Dziękuję za uwagę