ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2)

PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW TEMPERATURY NA WŁA�CIWO�CI MECHANICZNE

SFEROIDALNEGO �ELIWA AUSTENITYCZNEGO O ZAWARTO�CI 20% NIKLU

A. TABOR1, K. ZAR�BSKI2, P. PUTYRA3

Politechnika Krakowska, Instytut In�ynierii Materiałowej al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

STRESZCZENIE

W pracy przedstawiono wyniki statycznej próby rozci�gania oraz z bada� udarno�ci austenitycznego �eliwa sferoidalnego o zawarto�ci 20% niklu. Wła�ciwo�ci mechaniczne obejmuj�ce: wytrzymało�� na rozci�ganie, umown� granic� plastyczno�ci, przew��enie, wydłu�enie oraz udarno�� okre�lono w szerokim zakresie temperatury od –196°C do 650°C. Dodatkowo zamieszczono fotografie struktury analizowanego materiału jak równie� fotografie przełomów ze statycznej próby rozci�gania. Key words: austenitic nodular cast iron, tensile strength, elongation, hardness 1. WPROWADZENIE

�eliwo sferoidalne jest jednym z najcz��ciej stosowanych tworzyw odlewniczych, a zakres jego stosowania poszerza wprowadzenie w jego skład pierwiastków stopowych. Wszechstronne zastosowanie austenitycznego �eliwa wysokoniklowego wynika z jego specyficznych wła�ciwo�ci chemicznych i fizycznych. �eliwo to charakteryzuje si� znaczn� odporno�ci� na korozj� chemiczn� oraz gazow�, przy równoczesnej wysokiej odporno�ci na działanie zarówno wysokiej jak i niskiej temperatury. Sferoidyzacja grafitu podnosi odporno�� �eliwa austenitycznego w �rodowiskach korozyjnych, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich wła�ciwo�ci

1 dr in�., atabor@mech.pk.edu.pl 2 mgr in�., kazar@mech.pk.edu.pl 3 mgr in�., putp@poczta.onet.pl

36/21

328

wytrzymało�ciowych w szerokim zakresie temperatury. Du�� odporno�� korozyjn� �eliwa austenitycznego sferoidalnego uzyskuje si� nie tylko dzi�ki korzystnej postaci grafitu, lecz równie� w wyniku zmniejszenia zawarto�ci wtr�ce� niemetalicznych podczas sferoidyzowania, a wi�c dzi�ki zmniejszeniu mo�liwo�ci tworzenia si� mikroogniw intensyfikuj�cych niszczenie odlewów [1-5, 8]. Wysokoniklowe, kwasoodporne �eliwo austenityczne znajduje równie� szerokie zastosowanie ze wzgl�du na dobr� �aroodporno��. �eliwo nie zawieraj�ce chromu wykazuje wystarczaj�c� odporno�� na korozj� w utleniaj�cych o�rodkach gazowych do 700°C i jest stosowane na cz��ci aparatury chemicznej [3].

Zastosowanie austenitycznego �eliwa sferoidalnego w konstrukcjach eksploatowanych w niskiej temperaturze jest nieodzowne w przypadkach wykonywania odlewów o skomplikowanych kształtach, wymagaj�cych trudnej i kosztownej obróbki mechanicznej. W technice niskich temperatur �eliwo mo�e by� pełnowarto�ciowym tworzywem konstrukcyjnym, a w wielu przypadkach materiałem trudnym do zast�pienia przez stal [3,6,7,9].

Celem prezentowanej w artykule pracy było okre�lenie wpływu temperatury na wła�ciwo�ci wytrzymało�ciowe i plastyczne austenitycznego �eliwa sferoidalnego o zawarto�ci 20% niklu. Zakres bada� obejmował wyznaczenie wytrzymało�ci na rozci�ganie (Rm), granicy plastyczno�ci (Rp0,2), wydłu�enia (A5), przew��enia (Z) i udarno�ci (KCV) w zakresie temperatury od (-196°C) do 650°C. 2. BADANIA WŁASNE

Badaniu poddano austenityczne �eliwo sferoidalne o nast�puj�cym składzie chemicznym: 2,8%C; 2,9%Si; 4,1%Mn; 0,035%P; 0,02%S; 0,13%Mg; 20%Ni. Materiał ten ró�ni si� od austenitycznych �eliw oznaczonych w normie PN-EN 13835:2002 jako XNi22 oraz XNiMn23-4, ni�sz� zawarto�ci� niklu jak równie� podwy�szon� zawarto�ci� w�gla i krzemu. Osnow� �eliwa stanowi austenit, w którym zaobserwowano znaczn� g�sto�� dyslokacji oraz nieliczne mikrobliniaki odkształcenia. Materiał odznaczał si� ziarnami o stosunkowo du�ych rozmiarach, w nielicznych obszarach obserwowano tworzenie si� podziarn. Cechy wydziele� grafitu okre�lono na podstawie normy PN-EN ISO 945 jako VIA6 (20%) oraz VA6 (80%). W nielicznych obszarach zaobserwowano wydzielenia du�ych w�glików M3C b�d w bezpo�rednim s�siedztwie grafitu, b�d wyst�puj�cych samodzielnie w osnowie austenitycznej, nie stwierdzono natomiast obecno�ci drobnodyspersyjnych w�glików. Mikrostruktur� badanego �eliwa z dobrze widocznymi wydzieleniami grafitu sferoidalnego oraz z wydłu�onymi podziarnami zamieszczono na rys. 1.

Badanie mikrostruktury grafitu przeprowadzono zgodnie z norm� PN-EN ISO 945 przez porównanie mikrostruktury próbek nie trawionych z wzorcami. Badanie mikrostruktury osnowy przeprowadzono przez porównanie mikrostruktury próbek trawionych z wzorcami, zamieszczonymi w normie PN-75/H-04661. Obserwacje i zdj�cia mikrostruktury zostały wykonane za pomoc� mikroskopu metalograficznego Neophot 32 na zgładach metalograficznych, przygotowanych zgodnie z instrukcj� nr

329

KBM/001 i trawionych w odczynniku Mi15Fe według wytycznych zawartych w normie PN-61/04503. Badania mikrostruktury �eliwa wykonano za pomoc� transmisyjnej mikroskopii elektronowej, analiz� prowadzono na cienkich foliach po �cienianiu jonowym przy u�yciu mikroskopu elektronowego JEM 200CX firmy JEOL.

500x 15 000x

Rys. 1. Mikrostruktura badanego �eliwa (pow. 500x) Fig. 1. Microstructures of the examined cast iron (500x)

20

3332

2929

2727

25

18

20

22

24

26

28

30

32

34

-196 -60 -40 -20 0 20 100 200

Temperatura łamania [oC]

KC

V15

0 [J

/cm

2 ]

Rys. 2. Wpływ temperatury na udarno�� badanego �eliwa Fig. 2. Temperature influence on the impact strength of the examined cast iron

Odporno�� na p�kanie okre�lano na podstawie wyników prób udarno�ci próbek

z karbem V, wykonywanych na młocie udarowym Charpy’ego typ 1H539 firmy A. B. ALPHA o energii pocz�tkowej 150J. Próby przeprowadzono zgodnie z norm� PN-EN 10045-1, złamano po dwie próbki w temperaturze: +200°C; +100°C; +20°C; 0°C; (-20°C); (-40°C); (-60°C) i (-196°C). Próbki udarno�ciowe o wymiarach 10mm x 10mm wykonano zgodnie z norm� PN-EN 1563:2000. Na rys. 2 przedstawiono zwi�zek pomi�dzy udarno�ci� austenitycznego �eliwa sferoidalnego a temperatur�.

Statyczn� prób� rozci�gania przeprowadzono zgodnie z norm� EN-10002-5:1991, EN-10002-1:2001. Próbki proporcjonalne, pi�ciokrotne, okr�głe o �rednicy Ø=5mm,

330

z cz��ci� chwytow� gwintowan� wykonane zostały zgodnie z norm� EN-1563:2000. Próby przeprowadzono na maszynie wytrzymało�ciowej EU 20, przy nastawie siłomierza 0-20kN w temperaturze: 650°C; 400°C; +200°C; +20°C; (-20°C); (-40°C); (-60°C) i (-196°C). Wykonano po 3 próby dla ka�dego poziomu temperatury. Wyniki bada� przedstawiono w tabeli 1 oraz w formie graficznej. Wpływ temperatury na wła�ciwo�ci wytrzymało�ciowe �eliwa o zawarto�ci 20%Ni ukazano na rys. 3. Zale�no�� przew��enia Z oraz wydłu�enia A5 przedstawiono na rys. 4.

Tabela 1. Wyniki z prób rozci�gania �eliwa o zawarto�ci 20%Ni Table 1. Results of tensile testing of cast iron with 20%Ni

Temp. próby [°C]

Rp0,2 [MPa]

Rm [MPa]

A5 [%]

Z [%]

650 165 232 13 8 400 191 405 32 25 200 215 445 37 27 20 239 482 39 31 -20 258 483 33 27 -40 278 480 31 27 -60 280 477 32 21 -196 389 774 16 13

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

-196 -60 -40 -20 20 200 400 650

Temperatura próby [oC]

Rp0

,2 [M

pa];

R m [M

Pa] �eliw o (20%Ni) Rm

�eliw o (20%Ni) Rp0,2

Rys. 3. Wpływ temperatury na Rm i Rp0,2 badanego �eliwa Fig. 3. Temperature influence on the TS and YS of the examined cast iron

331

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

-196 -60 -40 -20 20 200 400 650

Temperatura próby [oC]

A5

[%];

Z [%

]

�eliwo (20%Ni) A5

�eliwo (20%Ni) Z

Rys. 4. Wpływ temperatury na A5 i Z badanego �eliwa Fig. 4. Temperature influence on the A5 and RA of the examined cast iron

W zwi�zku ze stwierdzon� zale�no�ci� wła�ciwo�ci wytrzymało�ciowych oraz

udarno�ci od temperatury, za celowe uznano przeprowadzenie obserwacji przełomów próbek na mikroskopie skaningowym JSM 50A firmy JEOL.

Obserwacji poddano przełomy próbek po rozci�ganiu w temperaturze: 650°C; +20°C i (–196°C), jak równie� przełomy próbek złamanych w temperaturze +20°C i (-196°C). Zdj�cia przełomów próbek udarno�ciowych przedstawiono na rys. 5. Sposób p�kania austenitycznego �eliwa sferoidalnego o zawarto�ci 20% niklu w wyniku działania obci��e� statycznych w temperaturze: 650°C; +20°C i (–196°C) zilustrowano na rys. 6.

+20°C (-196°C)

Rys. 5. Przełomy próbek udarno�ciowych Fig. 5. Photos of fracture surface of specimens after impact tests

332

+650°C +20°C

(-196°C)

Rys. 6. Przełomy próbek po rozci�ganiu Fig. 6. Photos of fracture surface of specimens after tensile tests

3. PODSUMOWANIE

Analizowane �eliwo charakteryzuje si� w temperaturze otoczenia stosunkowo wysok� wytrzymało�ci� na rozci�ganie (480MPa), jak równie� wysok� warto�ci� umownej granicy plastyczno�ci (240MPa). Pod tym wzgl�dem wytrzymało�ci na rozci�ganie badany materiał przewy�szał, w całym zakresie analizowanych temperatur wytrzymało�ci odpowiednie dla �eliwa o oznaczeniach: XNiMn23-4 oraz XNi22 uj�tych w normie PN-EN 13835:2002. Umowna granica plastyczno�ci wyznaczona dla �eliwa o zawarto�ci 20% niklu, niezale�nie od temperatury prób, była zbli�ona dla warto�ci uj�tych normie. Własno�ci plastyczne (A5 i Z) oraz udarno�ci uzyskane dla �eliwa o zawarto�ci 20% niklu podczas prób prowadzonych w temperaturze otoczenia s� zbli�one do własno�ci plastycznych �eliw: XNiMn23-4 i XNi22. W próbach prowadzonych w temperaturach obni�onych analizowany materiał odznaczał si� nieznacznie ni�szymi warto�ciami wydłu�enia, przew��enia i udarno�ci w porównaniu z �eliwami uj�tymi w normie. Znaczne ró�nice we wła�ciwo�ciach plastycznych daje si� zauwa�y� w temperaturze wynosz�cej (-196°C). Badane �eliwo (zawieraj�ce 20% niklu) odznaczało si� w tej temperaturze wydłu�eniem wynosz�cym 16% i przew��eniem odpowiednio 13%. Osnowa próbki poddanej obci��eniom statycznym

333

zarówno w temperaturze (–196°C), jak i w temperaturze otoczenia odznaczała si� przełomem transkrystalicznym ci�gliwym o znacznie rozwini�tej powierzchni. Zaobserwowane przełomy miały powierzchni� ukształtowan� w system sto�kowych „wzniesie�” i „wgł�bie�”, wykazuj�cych �lady znacznego odkształcenia plastycznego, w �rodku, których wyst�powały zazwyczaj wydzielenia grafitu. Wtr�cenia fazy obcej oddziałuje jako koncentrator napr��e� niezb�dnych do zarodkowania mikrop�kni��. Przyjmuje si� [10, 11], �e gdy nie ma wydziele�, wtedy zarodkowanie mikrop�kni�� dla tego rodzaju przełomu wyst�puje w mikroobszarach o najwi�kszym odkształceniu plastycznym. Wielko�� „wzniesie�” i „wgł�bie�” na powierzchni przełomu zale�y głownie od wielko�ci ziarn i bloków osnowy oraz dyspersji wydziele�. Wpływ cz�stek na zarodkowanie pustek wzrasta ze zwi�kszeniem pr�dko�ci odkształcenia, lokalizacji odkształcenia plastycznego oraz koncentracji napr��e� na granicy cz�steczka-osnowa. Utworzenie pustki jest łatwiejsze, gdy rozmiary cz�stek s� wi�ksze, a zarodkowanie pustki zachodzi po osi�gni�ciu przez wydzielenie rozmiaru krytycznego, który zmniejsza si� z obni�eniem temperatury. Potwierdzenie tego mo�emy znale� w warto�ciach przew��enie i wydłu�enia, zanotowanych podczas statycznego obci��ania próbek w temperaturze otoczenia oraz (-196°C). Podobny charakter p�kania mo�na zaobserwowa� na próbkach poddanych działaniu obci��e� udarowych w całym zakresie analizowanych temperatur. lady p�kni�� o charakterze mi�dzykrystalicznym zaobserwowano na przełomach próbek rozci�ganych w temperaturze 650°C. P�kanie mi�dzykrystaliczne w próbie rozci�gania lub udarno�ci, otrzymane w stopach �elaza o strukturze pierwotnej przypisuje si� znacznej segregacji, jak równie� wydzieleniom faz po granicach ziarn.

�eliwo sferoidalne z zawarto�ci� niklu na poziomie 20% odznacza si� du�� wytrzymało�ci�, dobr� plastyczno�ci� i udarno�ci� w szerokim zakresie analizowanych temperatur, dorównuj�c pod tym wzgl�dem �eliwom uj�tym w normie PN-EN 13835:2002 o zawarto�ci niklu przekraczaj�cej 22%. Struktura badanego �eliwa jest zło�ona z plastycznego austenitu, sferoidalnych wydziele� grafitu oraz z wydziele� w�glika stopowego o wzorze M3C. Przełomy uzyskane podczas prowadzonych prób (statycznych i dynamicznych) wykazywały charakter transkrystaliczny, poprzedzony znacznym odkształceniem plastycznym.

W �wietle uzyskanych wyników celowe wydaje si� prowadzenie dalszych bada� maj�cych na celu wyja�nienie przyczyn obni�enia przew��enia i wydłu�enia w temperaturze (-196°C) oraz 650°C. Kontynuacja bada� powinna dotyczy� równie� okre�lenia kolejno�ci miejsc inicjowania p�kania osnowy metalowej �eliwa w temperaturze podwy�szonej.

334

LITERATURA [1] Dziadur W., Lisak J., Tabor A.: Badania korozyjne �eliwa sferoidalnego

wysokoniklowego, Odlewnictwo – Nauka i Praktyka, Instytut Odlewnictwa, Zeszyt specjalny 2/2004.

[2] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo Stopów �elaza, PWN, Warszawa - Kraków 1976. [3] Podrzucki C.: �eliwo - struktura, wła�ciwo�ci, zastosowanie, ZG STOP,

Kraków 1991. [4] R�czka J.S., Tabor A.: Optymalizacja składu chemicznego i technologii

wytwarzania austenitycznego �eliwa sferoidalnego; Odlewnictwo – Nauka i Praktyka, Instytut Odlewnictwa, Zeszyt specjalny 2/2004

[5] Sakwa W.: �eliwo, Wyd. „l�sk”, Katowice 1974. [6] Tabor A.: Techniki wytwarzania. Wybrane zagadnienia z odlewnictwa.,

Politechnika Krakowska, Kraków 1998. [7] Tabor A., Dziadur W., Zar�bski K.: Badania wła�ciwo�ci mechanicznych

austenitycznego �eliwa sferoidalnego, II Ogólnopolska Konferencja Naukowa „Problemy Jako�ci Stymulatorem Rozwoju Technologii Bezodpadowych”, Kraków 1999.

[8] Tabor A., Raczka J.S.: Odlewnictwo, FOTOBIT, Kraków 1996. [9] Tabor A.: Mechanizm procesu krystalizacji i kształtowania struktury oraz

własno�ci austenitycznego �eliwa sferoidalnego, Sprawozdanie projektu badawczego 7T08B 030 13.

[10] Maciejny A.: Krucho�� Metali, Wydawnictwao „l�sk” Katowice, Katowice 1973. [11] Wyrzykowski J.W., Pleszakow E., Sieniawski J.: Odkształcenie i p�kanie metali.,

WNT, Warszawa 1999.

TEMPERATURE INFLUENCE ON THE TENSILE PROPERTIES OF THE AUSTENITIC NODULAR CAST IRON WITH 20% OF NICKEL

SUMMARY

This work presents results of the tensile properties of the austenitic nodular cast iron with 20% of nickel. The investigations were carried out in extensive range of temperature (from -196°C to 650°C) and lead to determination of: tensile strength; proof strength; elongation; reduction of area and impact strength for examined iron cast. Furthermore in this paper were placed photos of the microstructures of examined cast iron and photos of fracture surface of specimens after impact and tensile tests.

Recenzował: prof. Jerzy Mutwil.