33/2 Solidinkation uf Metais !Ind Alloys, No. 33, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr JJ, 1997 PAN- Oddział Katowice PL ISSN 02ll!!-9386

JAKOŚCIOWA OCENA METODY SFEROIDYZACJI ŻELIW A PRZY

UŻYCIU PRZEWODU ELASTYCZNEGO

GUZIK Edward

Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków

Dokonano oceny przydatności przewodu elastycznego z rdzeniem magnezowym (tzw. "metoda drutowa") do zabiegu sferoidyzowania żeliwa, wytapianego w żeliwiaku. Ta technika sferoidyzacji żeliwa pozwala uzyskać regularną, kulkową postać grafitu, a przy odpowiednio dobranej zawartości Mn i Si w składzie można zapewnić osnowę ferrytyczną. W konsekwencj i otrzymuje się żeliwo sferoidalne o wysokich wartościach wydłużenia A5, przy wytrzymałości na rozciąganie Rm rzędu 500 MPa.

l. Wprowadzenie

Zeliwo wysokojakościowe, którego właściwości kształtuje rodzaj eutektyki

grafitowej z wydzieleniami grafitu kulkowego bądź wermikulamego (z ang. grafit

"robaczkowy") znajduje w kraju coraz sz1!rsze zastosow<mie na rólillego rodzaju części

maszyn i urządzeń. Udział produkcji żeliwa sferoidalnego w ogólnej produkcji

odlewów ze stopów żelaza jest obecnie traktowany jako niewątpliwy wskaźnik

nowoczesności przemysłu odlewniczego w danym kraju. Ponadto. wytwarzanie wielu

różnego rodzaju elementów finalnych z tego gatunku żeliwa przyczynia się do

unowocześnienia różnych gałęzi przemysłu maszynowego. W krajach wysoko

uprzemysłowionych produkcja odlewów z zeliwa sferoidalnego w stosunku do innych

gatunków żeliwa z wydzieleniami grafitu płatkowego jest dość znaczna, co pokazują

23

dane zestawione w tabeli l [1,2], w której dla celów porównawczych podano także

wielkości produkcji staliwa i stopów z metali nieżelaznych . W takich krajach, jak np.

Francja, USA, RFN czy Chiny, stosunek produkcji odlewów z zeliwa sferoidalnego do

ogólnej masy produkowanego zeliwa wynosi odpowiednio: 47,2 ; 37,8; 32,0; 14,8 %,

natomiast w Polsce i we Wspólnocie Niepodległych Państw wskaźnik ten jest

niekorzystny i wynosi odpowiednio; 9,6 i 3,3 %. Udział odlewów z żeliwa

sferoidalnego w przemyśle krajowym wykazuje jednak od kilku lat tendencję

wzrostową, co wynika z danych zamieszczonych w tab. l i już np. w roku 1996

oblicza się tę produkcję na poziomie około 85 tys. ton. Dynamika tego wzrostu jest

największa spośród wszystkich stopów odlewniczych.

Tabela l

Produkcja odlewów w świecie w 1995 roku [l] oraz w latach 1993-94 [2], tyś.ton

KraJ Żeliwo Żeliwo Staliwo Szare Sferoidalne Ciągliwe Razem -

Polska 625 70 30 725 78

(584) (59) (28) (673) (71)

((563)) ((52)) ((28)) ((643)) ((67))

Francja (961) (869) (10) (1.840) (136)

RFN 2.174 1.062 77 3.313 184

Chiny 7.303 1.341 422 9.066 1.610

W.N.P. 8.240 305 800 9.345 960

USA 5.831 3.691 234 9.756 1.290

Oznaczeme: ( ~ ) -produkcja w roku 1994, (( *))-produkcja w roku 1993

W.N.P. - Wspólnota Niepodległych Państw

Stopy metali nieżelaznych

51

(49)

(( 45))

(293)

634

722

1.340

2.221

Istotnym elementem technologii wytwarzania zeliwa sferoidalnego jest wprowadze­

nie do żeliwa odpowiedniej dawki sferoidyzatora, głównie w postaci magnezu bądź

jego stopów oraz przeprowadzenie odpowiedniego zabiegu modyfikowania

grafityzującego. Niekorzystne zjawisko pirotechniczne towarzyszące sferoidyzacji

żeliwa doprowadziło do opracowania szeregu metod przeprowadzania zabiegu

opisanych w pracy [3, 4). Każda z metod ma swoje wady i zalety, natomiast do

24

nowoczesnych metod sferoidyzowania żeliwa rozwijanych obecnie za granicą należy

zaliczyć:

• metodę przewodu elastycznego, popularnie zwaną metodą "drutową" (z ang.

Cored Wired Injection Method), która zostałajuż wdrożona w kraju [5,6,7],

• sferoidyzowanie żeliwa w indukcyjnym reaktorze HTM (z ang. High Turbulence

Mixing) [4,8], ale dane techniczno- ekonomiczne w tym zakresie są bardzo skąpe.

W pracy przedstawiono wyniki badań w zakresie sferoidyzacji żeliwa metodą

przewodu elastycznego w odniesieniu do uzyskiwanych właściwości mechanicznych.

2. Metodyka i wyniki badań

Wytopy przeprowadzono w Odlewni F AP ZETKAMA w Kłodzku, gdzie metal

wytapia się w żeliwiaku o średnicy 800 nun z zastosowaniem dmuchu wzbogaconego

w tlen. Materiałem wsadowym, stosowanym w badaniach była specjalna surówka z

Huty Witkowice o następującym składzie chemicznym: ok. 4,5 %C; 0,9 %Si; 0,03

%Mn; 0,05%P; max 0,01 %S oraz złom stalowy i złom własny obiegowy.

Przebieg wytopów żeliwa sferoidalnego był następujący: po osiągnięciu na rynnie

spustowej żeliwiaka ciekłego żeliwa o wymaganym składzie chemicznym na

poziomie: 3,7 %C; 2 %Si, 0,15 - 0,4 %Mn (w zależności od wymaganego gatunku

żeliwa); 0,06 %P; 0,06 - 0,08 %S i temperaturze rzędu 1530 - 1550 °C, zapełniano

kadź smukłą metalem, do 2/3 jej wysokośc;i. W zależności od stopnia wygrzania kadzi

osiąga się dUźy spadek temperatury (rynna spustowa-kadź smukła) wynoszący ~T=

90 - 120 K. Następnie kadź przetransportowano na specjalne stanowisko, gdzie po

usunięciu żużla zagęszczonego reagentem Remmos wprowadzano z prędkością 15-20

roimin określoną długość przewodu sfe:roidyzującego typu INFORM - MAG o

średnicy ~ 13mm. ZUźycie tego przewodu elastycznego ustalano w zależności od

zawartości siarki w żeliwie wyjściowym masy metalu w kadzi oraz pożądanej

zawartości Mg. Szczegóły urządzenia oraz przebieg procesu sferoidyzowania żeliwa

przedstawiono w pracy [5,6,7]. Po wprowadzeniu do ciekłego żeliwa wymaganej

zawartości Mg (~0,04%) kadź transportowano na specjalne stanowisko, ponownie

usuwano żużel, a w czasie przelewania metalu do kadzi rozlewniczych wprowadzano

modyfikator grafityzujący typu SB-5 zaw. 2% Ba, 1,5 %Al, l %Ca, Si i Fe- reszta.

25

750

'ii ll. 700 ~

---------------------680--------------··-..... 640 e 650 1--a:: CLI

600 590 ·c

III g!

550 lc;<~n <;<~n ·;:; g ... 500 III c -u 450 •III o ;;

400 i 350

300 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Numer wytopu

Rys. l. Wytrzymałość żeliwa na rozciąganie Rm, otrzymanego w poszczególnych wytopach

30

25

'$. 20 .,; C( CLI ·c 15 CLI

•N :l -"C

~ 10

5

o

25 .7

~~~---23 .~ ,J, .. ir ;~ L: j i, .·.1· :j· r + 19.5 t r-------------------+8.-5----·- .,: -u: -+a.s.-r •'' li ~ .!; t 15 7 lif . ' ' ,:, ·l

6

:. ik . "' +l~ :' r--• r-- ~-<f r-- 1 h-'\\- ~r

12 ~~ ~ 'fl 'R ~ ~ " r-~ =~ r~~ ~ 1 .• 11 11 .410 5 @ . ·i i! ., ~ li'

10 1 o . ~~ 1 o ~· l~ • ' ffi ~ Q :4- - - :t .~-' 'l- ,, · m~~- c ~ j · il · '"' ):;! t,.,ru:Ul

6 f ~ ~~- -~ l~ \l~~-~~ l!, . -~ l • ,, m~~ r, ' ' .'-~r- ·-.i l- f--. --:~- j: ' ! - '~ -

' ~1 : , ,. il , , -~ ~ ~ t·

i! j j 1" ~ ff ' ~ ; ;· u

1il #i ~~~ G t+.;' ~~ > -~ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Numer wytopu

Rys. 2. Wartości wydłużenia żeliwa A5, otrzymanego w poszczególnych wytopach

Wyniki badań właściwości mechanicznych; wytrzymałości na rozciąganie R111,

wydłużenia A5 i twardości HB z 18 wytopów żeliwa po zabiegu sferoidyzowania

m :J: ..; •III o

"C ... ~ 1-

300

250

200

150

100

50

o

26

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1:0 16 17 18

Nurner wytopu

Rys. 3. Wartości twardości żeliwa HB, otrzymane w poszczególnych wy1opach

i modyfikowania przedstawiono na wykresach słupkowych (rys. l, 2 i 3).

W początkowym okresie badań otrzymano grafit kulkowy nieregularny Gf8 i

regularny Gf9, natomiast w stiukturze żeliwa z 5 ostatnich wytopów uzyskano jedynie

grafit regularny. W pierwszych wytopach z uwagi na zwiększoną zawruiość Mn (0,2 -

0,4%) otrzymano żeliwo sferoidalne chru·akte:ryzujące się niskimi wartościruni

wydłużenia As. Zmniejszenie zawartośc i Mn w żeliwie do poziomu O, 15 % (przy

zapewnieniu 2,5 - 2, 7 %S i) powoduje stopniowe zwiększanie udziału fenytu w

osnowie metalowej (do ok. 90%), a tym srunym zapewnienie wydłużenia As w

zakresie 16 - 25 %, przy wartościach R,, na poziomie 500 MPa i twru·dości 160 - 180

jednostek HB.

Reasumując wyniki badań zastosowania przewodu elastycznego do zabiegu

sferoidyzowania można wskazać, że metoda ta pozwala uzyskać z metalu

wytopionego z żeliwiaka żeliwo sferoidalne o wydzieleniach regułrunego grafitu

kulkowego . Sterowanie zawruiością Mn przy odpowiednim poziomie krzemu,

pozwala uzyskać żeliwo zawierające do 90 % fenytu w osnowie stluktu:ry. Tego

rodzaju zabieg sferoidyzowania gwarru1tuje stabilność całego procesu wyrażona

27

powtarzalnością wyników w odniesieniu do wartości Rm i A5, a stosowne obliczenia

[5] wykazały, że koszt wytwarzania tego rodzaju żeliwa jest w porównaniu zbliżony

do kosztu żeliwa wytwarzanego z wykorzystaniem importowanych zapraw sfero­

idyzujących. Metoda sferoidyzowania żeliwa przy wykorzystaniu przewodu

elastycznego lansowana np. przez firmę SKW Giesserei - Technik GmbH Trostberg

jest optymalna i wyczerpująca aspekty ekonomiczne oraz wymagania BHP. W

ostatnim okresie obserwuje się wyraźny rozwój tej techniki sferoidyzowania w

odlewniach niemieckich [9]. Stosuje się je do ok. 18 % ogółu masy produkowanych

odlewów z żeliwa sferoidalnego.

Literatura

[l] 29 Census ofworld casting production, 1994. Modem Casting. 85 (1995}, s.24-25.

[2] 30 Census ofworld casting production, 1995. Modem Casting. 86 (1996), s.30-31.

[3] Podrzucki C., Wojtysiak A.: Żeliwo plastyczne niestopowe. Skrypt AGH, (część

l), Kraków 1987.

[4] Guzik E., Podrzucki C.: Nowoczesne metody obróbki uszlachetniającej ciekłego

żeliwa. III Seminarium-Szczyrk 3-4. 12. 1996, ref. 10, s. 10.1- 10.25.

[5] Guzik E.: Ogólna ocena metod sferoidyzowania żeliwa. Krzepnięcie metali

stopów P.AN, Oddział Katowice. 26 (1996), s. 149-156.

[6] Guzik E., Kapturkiewicz W., Porębski M., Burbiełko A.A.: Sferoidizimjuszczaja

obrabotka czuguna z pomoszcziju poroszkowoj powołoki. Processy Litja. 3

(1996), s.29-3S.

[7] Guzik E., Asłanowicz M., Kluk R. : Zabieg sferoidyzowania żeliwa przy użyciu

przewodu elastycznego. Krzepnięcie metali i stopów PAł-l', Oddział Katowice. 22

(1995), s. 76-81.

[8] Rachner H.G., Koperek A.: Mg-Behandlung von Basisschmelzen zur Herstellung

von Gusseisen mit Kugelgraphit. Katalog- Kuttner a. Co., GMBH, Essen 1993.

[9] Sugden H., Missol D., Best K.J.: Direct conversion of cupola melted iron to

duetile iron using cored wire. International Conference PCIR.A, York - England

ref. 17 (1996) s. 17.1-17.10.