VLIV LEGUJÍCÍCH PRVKŮ A GRAFITIZAČNÍHO OČKOVÁNÍ NA STRUKTURNÍ CHARAKTERISTIKY LITINY S KULIČKOVÝM GRAFITEM

VLIV LEGUJÍCÍCH PRVKŮ A GRAFITIZAČNÍHO OČKOVÁNÍ NA STRUKTURNÍ CHARAKTERISTIKY LITINY S KULIČKOVÝM GRAFITEM INFLUENCE OF ALLOYING ELEMENTS AND GRAPHITE INOCULATION ON STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF DUCTILE IRON (SPHEROIDAL GRAPHITE CAST IRON) Iveta Musilová a Jaroslav Šenberger a Karel Stránský b Jiří Bažan c Jana Dobrovská c Jaroslav Belko d Antonín Záděra a a Vysoké učení technické v Brně, FSI, ÚST, Technická, 616 69, ČR, E-mail: ywett.mus@seznam.cz b Vysoké učení technické v Brně, FSI, ÚMVI, Technická, 616 69, ČR, E-mail: stranskyk@fme.vutbr.cz c Vysoká škola báňská Technická univerzita, FMMI, 17. listopadu 15, 7 3 Ostrava, ČR, E-mail: jiri.bazan@vsb.cz d Vojenský technický ústav ochrany v Brně, P.O.BOX 547, Brno, ČR, E-mail: belko@vtuo.cz Abstrakt Článek se zabývá vlivem legujících prvků Mn, Cu a grafitizačního očkování na strukturní charakteristiky litiny s kuličkovým grafitem. Tento vliv byl sledován u 15 vzorků s odstupňovaným obsahem manganu a mědi (,7;,46;,76 hmotnostních % Mn;,;,39; a,71 hmotnostních % Cu). Současně byl sledován i vliv různého množstvím grafitizačního očkovadla Optigran (, a 4 g) ve vtokové soustavě. U vzorků byla zaměřena pozornost především na velikost, tvar a rozložení grafitu a objemový podíl strukturních a fázových složek (ferit, perlit, grafit). Taktéž byla věnována pozornost sklonu k tvorbě rozptýlených staženin a mikrostaženin. Pokud jde o velikostní parametry grafitu, byla zaměřena pozornost na průměrný poloměr částic grafitu, průměrný poloměr grafitické (eutektické) buňky a průměrnou vzdálenost mezi středy částic grafitu. Hodnocení struktury bylo prováděno na 15 vzorcích odebraných vždy ze stejného typu odlitku Y blok ČSN EN 1564, typ II tedy při konstantní rychlosti ochlazování sledovaných odlitků. Strukturní parametry litiny s kuličkovým grafitem byly zjišťovány standardní metalografickou a obrazovou analýzou. Všechny zjištěné strukturní charakteristiky jsou vstupními veličinami pro model růstu grafitu kulového tvaru, který umožňuje do jisté míry predikovat vlastnosti LKG související s přerozdělením prvků v eutektické buňce grafitu. Abstract The paper deals with the effect of alloying elements (Mn and Cu) and graphite inoculation on the structural characteristics of ductile iron. This effect was followed in 15 samples with graded manganese and copper contents (.7,.46 and.76 wt.% Mn;.,.39 and.71 wt.% Cu). At the same time, the effect of different amounts (, and 4 g) of the Optigran graphite inoculant in the gating system was investigated. As for samples, attention was mainly 1

focused on the size, shape and distribution of graphite as well as on the volume proportion of structural and phase components (ferrite, pearlite and graphite). Attention was also paid to the tendency of forming scattered inclusions and microinclusions. As for the size parameters of graphite, attention was focused on the average radius of graphite particles, average radius of graphitic (eutectic) cell, and average distance between the centres of graphite particles. Structural evaluation was conducted on 15 samples, always taken from the same type of casting Y-block according to the ČSN EN 1564 Standard, type II i.e. at a constant cooling rate of the castings under examination. The structural characteristics of ductile iron were established via standard metallographic and image analyses. All the structural characteristics established are used as input quantities for the growth model of spheroidal graphite, which to a certain extent enables predicting the GJS properties related to the redistribution of elements in the eutectic graphite cell. 1. LITINA S KULIČKOVÝM GRAFITEM A JEJÍ STRUKTURNÍ CHARAKTERISTIKY Současné trendy v oblasti výroby litiny s kuličkovým grafitem (dále jen LKG) ukazují, že poptávka po odlitcích z tohoto materiálu neustále roste. Odlitky z LKG stále častěji nahrazují odlitky z ocelí a to např. z ocelí bainitických, vysokopevnostních nebo vysokolegovaných manganových. Ve srovnání s ocelemi jsou ovšem náklady, potřebné na výrobu dílců z LKG cca o % nižší [1], čímž se tento materiál stává nesmírně zajímavým jak pro výrobce (slévárny), tak i pro zákazníky. Vlastnosti odlitků z grafitických litin jsou určeny nejen vlastnostmi kovové matrice, ale i tvarem, velikostí, rozložením a množstvím grafitu. [] Tvar grafitu, jeho velikost a rozložení v matrici jsou především závislé na způsobu výroby a odlévání LKG, tloušťce stěny odlitku, konstrukci slévárenské formy a dalších podmínkách určujících krystalizaci taveniny ve formě. Vliv zmíněných činitelů na výsledný tvar, velikost a rozložení grafitu se přitom projevuje jejich společným účinkem. Předchozí činitelé a z nich nejvíce podmínky, na kterých závisí průběh tuhnutí taveniny ve formě určují rovněž povahu a velikost chemické heterogenity prvků v matrici, kdy tato je dále silně závislá na výchozím chemickém složení taveniny LKG. Význam chemické heterogenity matrice přitom roste úměrně s požadavky, které jsou kladeny na výsledné pevnostní a plastické vlastnosti LKG. Výsledky experimentálních prací, publikované v předkládaném článku jsou součástí rozsáhlého bloku měření [3 6] a navazují na výsledky měření, které byly publikovány v práci [7]. Cílem celého bloku měření je ověření možností aplikace termodynamického modelu růstu grafitu kulového tvaru v tvárné litině [8, 9]. Dále by měly výsledky získané v průběhu celého experimentálního měření sloužit k objasnění vlivu legování LKG mědí a manganem na parametry kuličkového tvaru grafitu a zároveň by měly objasnit vliv obou prvků (Cu a Mn) na podíl feritu a perlitu ve struktuře LKG ve stavu po odlití.. EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE A JEJÍ VÝSLEDKY Všechna měření byla provedena na vzorcích získaných z Y bloků, které byly vyrobeny z litiny s kuličkovým grafitem. Litina s kuličkovým grafitem byla vytavena v indukční peci s kyselou výduskou o obsahu 4 kg. Celkem bylo vytaveno pět taveb, přičemž z každé tavby byly odlity tři bloky ve tvaru klínů podle evropské normy EN 1564 typ II. Tloušťka klínů činila v jejich dolní části 5 mm. Grafitizační očkování proběhlo jednak v pánvi, jednak na filtru. Průměrné množství očkovadla přisazeného do pánve činilo (,39±,11) %. K očkování taveniny na keramickém filtru bylo použito očkovadlo Optigran. U tavby číslo 1 byl první blok očkován na filtru

,3 % očkovadla, u dalšího bloku z téže tavby bylo očkování na filtru vynecháno, takže tavenina byla očkována pouze v pánvi. U zbývajících taveb číslo až 5, bylo k očkování bloků určených k metalografické analýze, použito stejné množství očkovadla, tj.,3 %. Teplota taveniny LKG v peci před odpichem činila 15 o C a bezprostředně po odlití byla změřena teplota taveniny v jednotlivých blocích o hodnotách (148±6) o C. Chemické složení všech pěti taveb je uvedeno v tabulce 1 [7]. Tabulka 1. Chemické složení taveb [hm.%] Table 1. Chemical composition of melts [wt.%] Tavba C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu V Ti Al Mg 1 3,58,7 1,89,3,1,5,14,1,19,3,9,11, 3,53,8 1,98,34,11,7,13,1,394,3,11,1,3 3 3,56,7 1,96,35,1,36,13,1,79,3,3,1,8 4 3,69,46 1,97,4,14,56,15,1,6,5,5,16,3 5 3,43,75 1,94,33,6,,1,1,6,3,4,1,33.1. Grafit a jeho strukturní charakteristiky Z odlitých bloků byly odebrány vzorky o rozměrech 17 17 1 mm na metalografickou analýzu. Vlastní měření bylo uskutečněno při zvětšení 1 s rozlišením 3,1 µm, přičemž na každém z měřených vzorků bylo vyhodnoceno 49 zorných polí. Detailní postup měření velikosti, tvaru a rozložení grafitu, včetně vztahů použitých k výpočtu jednotlivých parametrů, je popsán a doložen v práci [3 7, 9]. V předkládaném článku jsou uvedeny pouze hlavní výsledky, získané měřením. Tabulka. Parametry grafitu [µm] a chemické složení C, Mn, Si a Cu [hm.%] Table. Parameters of graphite [µm] and chemical composition of C, Mn, Si and Cu [wt.%] EN 1564 typ II Parametry grafitu Obsah prvků Tavba Blok Očkovadlo [g] r [µm] R [µm] L [µm] C Mn Si Cu 1 4 17,3 58,6 117,1 1 15,5 5,3 14,5 3,58,7 1,89,19 3 13,1 45,3 9,6 4 4 1,1 68,3 136,6 5 15,5 5,6 11,3 3,53,8 1,98,394 6 1, 39,9 79,8 7 14,8 47,7 95,4 3 8 13,8 48,9 97,9 3,56,7 1,96,79 9 4 11,3 4,5 8,9 1 15,1 48,5 96,9 4 11 11,8 38, 76, 3,69,46 1,97,6 1 4 17,8 57,1 114,3 13 14,5 48,8 97,6 5 14 1,6 43,8 87,6 3,43,75 1,94,6 15 4 3,9 81,6 163,1 Změřené parametry grafitu jsou uvedeny v tabulce, kdy r značí průměrný poloměr částic grafitu, R průměrný poloměr grafitické buňky a L průměrnou vzdálenost mezi středy částic grafitu. 3

Vliv Mn na poloměr grafitu Vliv Cu na poloměr grafitu Poloměr grafitu v mm,3,5,,15,1,5 Obsah Mn v hm.% a) b) Obr. 1a, b. Vliv legujících prvků Mn, Cu na poloměr grafitu Fig. 1a, b. Influence of alloying elements Mn, Cu on graphite radius Z měření vyplývá, že s rostoucím obsahem manganu dochází k mírnému zvětšení poloměru grafitu. v případě legování taveb mědí se poloměr grafitu mírně zmenšuje (viz obr. 1a, b). Vyšší přísada mědi vede k výraznému zvýšení hustoty grafitických částic. Vliv legování LKG manganem se projevuje tím, že hustota částic grafitu s jeho rostoucí přísadou klesá., Rozdíly v hustotě částic grafitu při nejvyšší přísadě mědi a nejvyšší přísadě manganu jsou názorně patrné na snímcích znázorňujících rozložení částic grafitu na obr. a 3. Poloměr grafitu v mm,5,,15,1,5 Obsah Cu v hm.% Obr.. Tavba 3/blok 8:,71 hm.% Cu Fig.. Melt 3/Bloc 8:,71 wt.% Cu Obr. 3. Tavba 5/blok 14:,75 hm.% Mn Fig. 3. Melt 5/Bloc 14:,75 wt.% Mn Výsledky experimentu tedy ukazují, že měď a mangan působí na vylučování grafitu a jeho tvorbu v tavenině LKG rozdílnými účinky... Strukturní složky objemový podíl Hodnocení objemového podílu strukturních složek (ferit fáze, perlit strukturní složka) bylo provedeno tak, že v nenaleptaném a naleptaném stavu byla hodnocena vždy shodná zorná pole. Byla měřena světlá plocha v nenaleptaném stavu to byl ferit a perlit bez grafitu, v naleptaném stavu to byl pouze ferit, který se nenaleptává. Podíl perlitu byl poté vypočítán, a to jako rozdíl světlé plochy na jednotlivých zorných polích před naleptáním a po naleptání. Rozdíl, stanovený jako = 1 % světlé plochy v nenaleptaném stavu na jednotlivých zorných polích, byl poté pokládán za veličinu, která charakterizuje objemový podíl, definovaný jako = grafit + mikrostaženiny, kde mezi mikrostaženiny lze zahrnout i mikrodutiny vzniklé při přípravě vzorků aj. Také tato měření proběhla při zvětšení 1 4

s rozlišením 3,1 µm, přičemž na každém z měřených vzorků bylo vyhodnoceno 49 zorných polí. Detailní postup měření velikosti, tvaru a rozložení grafitu, včetně vztahů použitých k výpočtu jednotlivých parametrů, je popsán a doložen opět v práci [3 a 4]. Zjištěné výsledky jsou uvedeny v tabulce 3. Tabulka 3. Mikrostrukturní analýzy objemových podílů složek tvárné litiny [obj.%] Table 3. Microstructure analysis of volume ratio of ductile cast iron components [vol.%] EN 1564 typ II Ferit Perlit Grafit + mikrostaženiny Grafit* Tavba Blok x s x x s x x s x x 1 69,5 3,5 19, 3,6 11,3 1, 8,8 1 79,1 1,7 9,8 1,6 11,,8 8,8 3 66,9,6 1,5,8 11,6,9 8,3 4 1,3 3,1 68, 3,5 1,5 1,3 9,5 5 9,3,8 59,9 3, 1,8,9 9,4 6 33,, 56,,1 1,8,7 9,4 7 1, 1,5 79,,1 1,8,9 9,6 3 8 8, 1,3 81,3 1,6 1,5,9 7,9 9 9,7,9 8, 1,1 1,1,6 7,7 1 54,9 3,3 33,6 3,6 11,5,8 9,7 4 11 5,5, 36,5,4 11,,6 7,9 1 48,8,6 4,3,7 1,9 1, 9,7 13 3,1,8 57,1 3, 1,8,7 8,9 5 14 35,7,3 54,,6 1,1,6 8,3 15 19,,8 71, 3,5 9,7 1,4 8,6 * objemový podíl víceméně dokonale zrnitého grafitu Z výsledků měření v tabulce 3 vyplývá, že podíl feritu a perlitu ve struktuře LKG, označený x, která byla kromě očkování v pánvi, očkována ještě na keramickém filtru, a ve struktuře LKG, u níž bylo očkování na keramickém filtru vypuštěno, je v mezích směrodatných odchylek měření s x shodný. Z tabulky 3 a obr. 4a, b dále plyne, že přísada mědi do taveniny LKG má velmi silný perlitotvorný účinek. Objemový podíl se zvýší cca 3x. Také mangan přispívá k tvorbě perlitu, ale efekt tohoto prvku je o něco menší (objemový podíl zvyšuje cca x). Tuto skutečnost potvrzují i regresní rovnice 1 a a také korelační koeficienty, které mají hodnotu,9879 (vliv Cu) a,9579 (vliv Mn). Vliv obou prvků na tvar a hustotu grafitu a objemový podíl perlitu je zřejmý z obr. 5 a 6. P = 85,36c + 153,99c+ 13,938 R =,9759 R =,9879 (1) P obsah perlitu v hm. % c obsah Cu v hm. % P = 46,46m + 6,686m+ 14,739 R =,9176 R =,9579 () P obsah perlitu v hm. % m obsah Mn v hm. % 5

Vliv Cu na obsah perlitu v litém stavu Vliv Mn na obsah perlitu v litém stavu Obsah perlitu v hm.% 9 8 7 6 5 4 3 1 Obsah Cu v hm.% a) b) Obr. 4a, b. Vliv legujících prvků Cu, Mn na obsah perlitu Fig. 4a, b. Influence of alloying elements Cu, Mn on pearlite content Obsah perlitu v % 8 7 6 5 4 3 1 Obsah Mn v hm.% Obr. 5. Tavba 3/blok 8:,71 hm.% Cu Fig, 5. Melt 3/Bloc 8:,71 wt.% Cu Obr. 6. Tavba 5/blok 14:,75 hm.% Mn Fig. 6. Melt 5/Bloc 14:,75 wt.% Mn Vliv legujících prvků na objemový podíl feritu je znázorněn na obr. 7a, b. Z obrázku 7a i b je zřejmé, že rostoucí obsah manganu i mědi snižuje obsah feritu. Tuto skutečnost opět potvrzují i regresní rovnice 3 a 4 a také korelační koeficienty, které mají hodnotu,9875 (vliv Cu) a,957 (vliv Mn). Ke stanovení objemového podílu grafitu, který byl označen v tabulce 3 jako Grafit*, poznamenáváme, že jde o podíl, který byl stanoven z měření podílu Grafit + mikrostaženiny (tabulka 3) po odečtení kvalifikovaně stanoveného podílu mikrostaženin a nekovových vměstků [3, 4]. Tento podíl činí v průměru (1,9±,9) obj.%. Z tabulky 3 plyne, že průměrná hodnota objemového podílu veličiny stanovené jako Grafit* činí (8,8±,7) obj.%. Takto námi stanovené hodnoty lze porovnat s výsledky měření objemového podílu podle Saltykova [1], který pro průměrný obsah uhlíku v šedé litině (3,6±,31) hm.% uvádí korespondující objemový podíl grafitu (8,5±1,8) obj.% (viz [1], s. 93, tabulka 18, vzorky 1, a 4). Z porovnání obou měření objemového podílu grafitu plyne uspokojivá shoda výsledků našich vlastních měření, s výsledky měření podle Saltykova [1]. Lze tedy usoudit, že popsaný způsob stanovení objemového podílu grafitu Grafit* (tabulka 3, obr. 8, rov. 5), je vhodný k základnímu orientačnímu posouzení objemového podílu této strukturní složky v šedě tuhnoucích litinách. 6

Vliv Cu na obsah feritu v LKG v litém stavu Vliv Mn na obsah feritu v LKG v litém stavu Obsah feritu v % 9 8 7 6 5 4 3 1 Obsah Cu v hm.% a) b) Obr. 7a, b. Vliv legujících prvků Cu, Mn na obsah feritu Fig. 7a, b. Influence of alloying elements Cu, Mn on ferite content Obsah feritu v % 9 8 7 6 5 4 3 1 Obsah Mn v hm.% F = 83,93c 151,73c+ 74,686 R =,9751 R =,9875 (3) F obsah feritu v hm. % c obsah Cu v hm. % F = 4,436m 8,193m+ 74,15 R =,9163 R =,957 (4) F obsah feritu v hm. % m obsah Mn v hm. % Obsah grafitu s ředinami v % Vliv obsahu perlitu na množství grafitu s mikroředinami ve struktuře - litý stav 1 11,5 11 1,5 1 9,5 4 6 8 1 Obsah perlitu ve struktuře v % Obr. 8. Vliv obsahu perlitu na množství grafitu s mikroředinami ve struktuře Fig. 8. Influence of pearlite on content of graphite with microshrinkage in structure G= 3E 5P,P+ 11,75 R =,578 R =,7555 (5) G obsah grafitu s mikroředinami v % P obsah perlitu v % 3. ZÁVĚR Článek obsahuje výsledky experimentálního výzkumu vlivu mědi a manganu na parametry grafitu a strukturní složení, především na podíl feritu a perlitu, tvárné litiny (LKG). Vliv mědi byl studován u taveb s obsahem:,;,39;,71 hm.% Cu, vliv manganu u taveb s obsahem,7;,46;,76 hm.% Mn. Tavba s obsahem, Cu a,7 Mn (v hm.%) byla jako základní společná pro měď i mangan. Metodou kvantitativní metalografie byly změřeny průměrné hodnoty poloměru částic kuličkového grafitu r, poloměru buněk grafitu R a střední vzdálenosti mezi buňkami grafitu L. Dále byl toutéž metodou změřen objemový podíl feritu a perlitu ve vzorcích jednotlivých taveb. 7

Pro odlitky ve tvaru klínových bloků podle EN 1564 typ II byly zjištěny tyto hlavní skutečnosti: vyšší přísady mědi a manganu působí na velikost částic grafitu, velikost buněk grafitu a střední vzdálenost mezi částicemi grafitu rozdílným způsobem; vyšší přísada mědi,,71 hm.%, vede ke zjemnění (zmenšení) sledovaných parametrů r, R a L, zatímco vyšší přísada manganu,,75 hm.%, vede ke zhrubnutí (zvětšení) těchže parametrů r, R a L; na podíl feritu a perlitu ve struktuře LKG působí přísady mědi a manganu během tuhnutí kvalitativně shodným účinkem, neboť s rostoucím obsahem obou prvků se ve struktuře zvyšuje podíl perlitu; bylo však zjištěno, že při stejném obsahu Cu a Mn je perlitotvorný účinek mědi výrazně vyšší, než tentýž účinek manganu. Zpracováno díky grantovým projektům GAČR reg. číslo 16/4/16 a 16/4/949 a 16/6/393. LITERATURA [1] ŠENBERGER, J. Izotermicky kalená tvárná litina (ADI) perspektivní materiál pro české slévárenství. Slévárenství, 3, roč. 51, č. 11-1, s. 451-455, ISSN 37-685. [] DORAZIL, E. High Strength Austempered Ductil Cast Iron. 1. vyd. Praha: Akademia, 1991. [3] BELKO, J., STRÁNSKÝ, K. Metalografická analýza vzorků odlitých z tvárné litiny (LKG) legované mědí a manganem (II. a III. díl). Výzkumná zpráva.vop-6 Šternberk, s. p., divize VTÚO Brno, 5, 19 s. [4] WINKLER, Z., STRÁNSKÝ, K. Analýza mikroheterogenity prvkového složení vzorků odlitých z tvárné litiny (LKG) legované mědí a manganem. Výzkumná zpráva (613-5-). Vojenský technický ústav ochrany Brno, 4, 34 s. [5] WINKLER, Z., STRÁNSKÝ, K. Analýza mikroheterogenity prvkového složení vzorků odlitých z tvárné litiny (LKG) legované mědí a manganem (II. část). Výzkumná zpráva (613-5-). Vojenský technický ústav ochrany Brno, 5, 4 s. [6] WINKLER, Z., STRÁNSKÝ, K.: Mikroheterogenita prvkového složení vzorků odlitých z tvárné litiny (LKG) legované mědí a manganem. Výzkumná zpráva (85/15/1). VOP-6 Šternberk, s. p., divize VTÚO Brno, 5, 41 s. [7] STRÁNSKÝ, K., BAŽAN, J, ŠENBERGER, J., DOBROVSKÁ, J. MUSILOVÁ, I., KAVIČKA, F., BELKO, J.: Vliv mědi a manganu na parametry grafitu a mikrostrukturu tvárné litiny (LKG). In: Metal 5, 14. mezinárodní konference metalurgie a materiálů, sborník abstraktů přednášek. Tanger spol. s r.o. aj. Ostrava 5, přednáška č. 13, CD ROM, ISBN 8-8684-13-1. [8] STRÁNSKÝ, K., aj. Model rasti kroglasteho grafita in njegova uporabnost. Model of Nodular Graphite Growth and its Application. Livarski vestnik 49,, No. 3, pp 17-11 (in Slovenia and in English). [9] ŠENBERGER J., aj. Changes in Carbon, Manganese and Copper Concentration Fields in Eutectic Cell of Ductile Iron. In 66 th World Foundry Congress 6-9 September 4, Istanbul, Turkey, No:11, pp. 1-14, ISBN 975 81 9 4. [1] SALTYKOV, S.A. Stereometrická metalografie. SNTL, Praha 196, 38 s. 8