VLIV OBSAHU NIKLU NA VLASTNOSTI LKG PO FERITIZAČNÍM ŽÍHÁNÍ EFFECT OF THE CONTENT OF NICKEL ON DI PROPERTIES AFTER FERRITIZATION ANNEALING

Transkript

1 VLIV OBSAHU NIKLU NA VLASTNOSTI LKG PO FERITIZAČNÍM ŽÍHÁNÍ EFFECT OF THE CONTENT OF NICKEL ON DI PROPERTIES AFTER FERRITIZATION ANNEALING Hana Tesařová Bohumil Pacal Ondřej Man VUT-FSI-ÚMVI-OKM, Technická 2, Brno, ČR, Abstrakt Práce se zabývá řešením problematiky vlivu niklu na strukturní a mechanické vlastnosti litiny s kuličkovým grafitem (dále LKG). Zkoumány byly tavby litin pro použití za snížených teplot které obsahovaly 0,5%Ni a 2,7%Ni. Pro dosažení feritické struktury bylo použito optimalizované dvoustupňové feritizační žíhání s cílem dosažení co nejmenšího a rovnoměrnějšího zrna. Při experimentech bylo posuzována mikrostruktura litin v litém stavu a hodnocena feritická matrice po tepelném zpracování. Po provedeném tepelném zpracování byly zjišťovány základní pevnostní i deformační charakteristiky. Zjištěné hodnoty mechanických vlastností byly porovnávány s dosaženou velikostí zrna feritické matrice litin.. This contribution deals with the problem of the effect of nickel addition on the structural and mechanical properties of the ductile cast iron. The DIs examined contained 0,5%Ni and 2,7%Ni which are beeing developed for low-temperature use. The optimized two-stage ferritization annealing was employed in order to acquire ferritic structure with the most uniform and the smallest possible grains. During the experiments, the microstructure of the DI in the as-cast state, as well as the ferritic matrix after the heat treatment was studied. After the heat treatment, basic stress and deformation characteristics were determined. These results were finally correlated with the grain size of the ferritic matrix. 1. EXPERIMENT K experimentálním účelům byly odlity tavby LKG s odstupňovaným obsahem niklu. Jednotlivé tavby byly odlity do kýlových bloků Y2. Ve srovnání s litinami s kuličkovým grafitem pro běžné použití mají experimentální tavby snížený obsah manganu a křemíku s ohledem na jejich předpokládanou aplikaci za nízkých teplot. Vzorky pro metalografický rozbor byly odebrány z první vrstvy, která byla nejvíce vzdálená od nálitku. Pro získání feritické struktury bylo použito dvoustupňové feritizační žíhání. To zahrnovalo normalizaci (810 C/4hod/vzduch) a následné izotermické žíhání na teplotě 700 C s různými dobami výdrže (1, 2 a 5 hodin) s cílem získat strukturu se základní kovovou hmotou tvořenou feritem bez přítomnosti perlitu. Pro dosažení optimálních vlastností litin byl zvolený režim zaměřený na nejmenší zrno feritu a jeho rovnoměrné rozložení v oblasti eutektických buněk. 1

2 METAL 2007 Chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1.: Chemické složení jednotlivých LKG C[%] 3,61 3,52 Mn[%] Si[%] 0,15 1,96 0,14 2,47 P[%] 0,04 S[%] 0,021 0,017 Cu[%] Cr[%] 0,01 0,01 Ni[%] 0,56 2,71 Mg[%] 0,083 0,049 Table 1.: Chemical composition of each DI cast 2. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE 2.1 Dosažené výsledky Struktury LKG s obsahy 0,5 a 2,7%Ni jsou zobrazeny na obr. 1. 0,5%Ni - litý stav 0,5%Ni C/4h vzduch 700 C/5h - vzduch 2,7%Ni - litý stav 2,7%Ni C/4h vzduch 700 C/2h - vzduch Obr. 1.: Mikrostruktury LKG v litém stavu a po tepelném zpracování pro jednotlivé tavby. Leptáno 2% nitalem, zvětšení 100x. Fig. 1.: Microstructures of DI in as cast state and after heat treatment for particular casts. Etched with 2% nital, magnification 100x. 2

3 Metalografické vyhodnocení zkušebních taveb ve výchozím stavu je uvedeno v tab.2. Tabulka 2.: Struktura použité tavby ve stavu po odlití dle ČSN Tavba Grafit Perlit Tvar Velikost Počet zrn na mm 2 Podíl [%] 0,5%Ni 5%-V, 95% - VI 45%-6, 55% ,7%Ni 20%-V, 80%-VI 20%-5, 80% Table 2.: Structure of particular cast in the as-cast state according to ČSN Metalografické vyhodnocení použitých taveb po tepelném zpracování je uvedeno v tab.3. Tabulka 3.: Velikost feritického zrna dle ČSN a obsah perlitu dle ČSN pro různé doby feritizačního žíhání. Tavba 0,5%Ni 2,7%Ni Doba žíhání Velikost zrna Velikost zrna Obsah perlitu [hod] [mm] 1 9 0,015 P13 2 9/8 (12%) 0,0159 P13 5 8/7 (18%) 0,0236 P0 1 7/9 (27%) 0,0198 P2 2 7/9 (27%) 0,0213 P0 5 7/9 (43%) 0,0246 P0 Table 3.: Ferrite grain size according to ČSN and pearlite content according to ČSN for different annealing times. Na obrázku 3 je znázorněna závislost doby žíhání na velikosti zrna. Velikost zrna [mm] 0,025 0,023 0,021 0,019 0,017 0,015 0, Doba žíhání [hod] 0,5%Ni 2,7%Ni Obr. 2.: Vliv doby feritizačního žíhání na velikost feritického zrna pro jednotlivé tavby. Fig. 2.: Influence of ferritization annealing time on the ferrite grain size for each cast 3

4 Pevnostní charakteristiky zkoumaných taveb jsou uvedeny na obr.3. Smluvní mez kluzu Rp0,2 a mez pevnosti Rm [MPa] Doba žíhání [hod] Rm [MPa] 0,5%Ni Rp0,2 [MPa] 0,5%Ni Rm [MPa] 2,7%Ni Rp0,2 [MPa] 2,7%Ni Obr. 3.: Vliv doby feritizačního žíhání na smluvní mez kluzu a mez pevnosti Fig. 3.: Influence of ferritization annealing time on yield strength and ultimate strength 2.2. Diskuse výsledků Ve struktuře obou taveb je přítomen převážně zrnitý grafit. Velikost zrn grafitu se zmenšuje s rostoucím obsahem niklu v odlitých tavbách, tzn. závisí na úrovni legování, což je patrné z obr.1. Počet nodulí grafitu na mm 2 je u všech zkoumaných taveb vysoký a s rostoucím obsahem niklu se zvyšuje (tab.2). Podíl perlitu ve struktuře po odlití v jednotlivých tavbách je výrazně odlišný. U tavby s 0,5%Ni podíl perlitu v matrici nepřevyšuje 8%. Perlitotvorný účinek niklu se projevil u tavby s 2,7%Ni, kdy se jeho obsah v matrici zvýšil na 34%. Z tab. 3 je patrné, že u tavby s 0,5%Ni má prodlužování doby výdrže na teplotě feritizačního žíhání jistý malý vliv na postupné hrubnutí zrna feritu. Ve struktuře však zůstává jistý podíl zrnitého perlitu. Dosažené mechanické vlastnosti jsou jeho přítomností ovlivněny. Čistě feritické matrice se dosahuje až po výdrži 5h, kdy zrno feritu mírně hrubne To vede k mírnému poklesu meze kluzu, jak je zřejmé z obr.3. U tavby s 2,7%Ni nebyl ve struktuře matrice přítomen perlit již po 2 hodinách žíhání i když jeho podíl ve struktuře litého stavu byl vysoký. Vyšší pevnostní charakteristiky (pevnost R m i mez kluzu Rp 0,2 ) litiny s 2,7%Ni při prakticky shodné velikosti zrna po feritizačním žíhání lze zdůvodnit především substitučním zpevněním feritické matrice vyšší přísadou niklu i větším počtem menších grafitických nodulí ve sledované tavbě. 3. ZÁVĚR Z provedených experimentů lze vyslovit následující závěry: - ze srovnání struktur dosažených po jednotlivých cyklech tepelného zpracování vyplývá, že struktura s velmi jemným zrnem feritu a současně bez přítomnosti zrnitého perlitu se získá po době izotermického žíhání 2 hodiny pro tavbu s obsahem 2,7%Ni a 5 hodin pro tavbu s 0,5%Ni 4

5 - další prodlužování doby feritizačního žíhání se jeví jako neefektivní, protože dochází k mírnému zhrubnutí zrna a poklesu mechanických charakteristik - vyšší obsah niklu v LKG vede po feritizačním žíhání k efektu substitučního zpevnění, který pozitivně ovlivňuje jejich mechanické vlastnosti 4. LITERATURA [1] OTÁHAL, V.: Tvárná litina (Litina s kuličkovým grafitem), CD rom, Brno, 2006, MetalCasting and Foundry Consult. [2] TESAŘOVÁ, H., PACAL, B.: Vliv obsahu niklu na mechanické vlastnosti LKG po feritizačním žíhání. In Zeszyty naukowe politechniki Opolskiej seria Mechanika, Vol.2006, (2006), No.318, pp , ISSN , Wydawnictw Politechniki Opolskiej [3] TESAŔOVÁ,H., PACAL, B., MAN, O.: Influence of nickel on the structure and mechanical properties of ferritic ductile cast iron, CD rom, pp.31-31, ISBN , (2006), Brno University of Technology [4] PACAL, B.: Feritická tvárná litina pro nízké teploty, VUT Brno, FS, KNOM, 1989, literární studie, 53s. [5] ČSN EN Slévárenství Litiny s kuličkovým grafitem. Praha : Český normalizační institut,