Rok I mgr 2011/2012 Sekcja Odlewnictwo B	Ćwiczenia laboratoryjne Procesy technologiczne kształtowania struktury i właściwości odlewów	Data ćwiczenia 17.05.2012
Nazwisko i imię Wiejaczka Krzysztof			Nr ćwiczenia 6
Temat: Procesy uszlachetniania stopów odlewniczych

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie z metodami uszlachetniania stopów odlewniczych.

Część teoretyczna

Głównym celem uszlachetniania stopów odlewniczych jest zmiana właściwości stopu. Uzyskuje się to poprzez zintensyfikowanie procesów w kąpieli metalowej dzięki zastosowaniu różnych metod lub dodatków. Najczęściej stosowane metody uszlachetniania:

- zabiegi modyfikacji - jest to proces polegający na zamianie fizykochemicznego stanu ciekłego stopu, wywołany wprowadzaniem do kąpieli metalowej substancji zwanych modyfikatorami, które zwiększają liczbę podkładek do zarodkowania, a co za tym idzie liczbę ziaren. Zabieg modyfikacji ma na celu zwiększenie liczby ziaren, czego konsekwencja jest poprawa właściwości mechanicznych metalu, zmniejszenie stopnia segregacji składników i skłonności metalu do pęknięć na gorąco. Ponadto zbieg modyfikacji zmniejsza, a niekiedy całkowicie eliminuje z odlewów strefę ziaren kolumnowych, znacznie ułatwia przeróbkę plastyczną wyrobu.

- zabiegi sferoidyzacji i warmikularyzacji - wprowadzenie odpowiedniego reagenta powodującego zmianę charakteru wydzieleń grafitu. Żeliwo sferoidalne - żeliwo szare, w którym grafit występuje w postaci kulkowej, pod postacią sferoidalnych skupień. Uzyskuje się je w wyniku modyfikowania żeliwa o tendencji krzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małym stężeniu siarki i fosforu. Jako sferoidyzatorów używa się ceru lub magnezu. W wyniku tego zabiegu grafit występuje w tych żeliwach w postaci kulistej. Skupienia te mogą występować w osnowie perlitu lub ferrytu. Żeliwo sferoidalne posiada dobre własności wytrzymałościowe. Może ulegać odkształceniu bez uszkodzeń, odporne na ściskanie i zginanie. Odporne na wysokie ciśnienia. Dzięki cieńszym ściankom rury z tego materiału są lżejsze. Dzięki swoim własnościom znalazło zastosowanie do wyrobu wałów korbowych silników spalinowych. Żeliwo wermikularne - żeliwo szare, w którym grafit ma morfologię grafitu wermikularnego (krętkowego), tj. pośrednią między grafitem płatkowym, a grafitem sferoidalnym. Żeliwo wermikularne stosuje się głównie do produkcji bloków silnika dla samochodów wyższej klasy.

- w przypadku żeliwa sferoidalnego hartowanie izotermiczne - otrzymanie struktury ausferytycznej (żeliwo ADI) - żeliwo to składa się zwykle z osnowy z rozgałęzionych płytek ferrytu i wysokowęglowego austenitu. Żeliwo sferoidalne poddaje się ulepszaniu cieplnemu polegającemu na austenityzowaniu w temperaturze 820 - 950°C(Tγ) w odpowiednim czasie (τ_γ), a następnie hartowaniu z przemianą izotermiczną, czyli umieszczeniu odlewów w zależności od wariantu technologi produkcji w odpowiednim środowisku ( kąpieli solnej, złozu fluidalnym) o temperaturze T_pi z z akresu 250 - 400°C i wytrzymaniu w niej przez czas τ _pi

- rafinacja - metoda polega wytworzenia w ciekłym stopie strumienia pęcherzy gazu obojętnego lub aktywnego i dyfundowaniu gazów do pęcherzy. Przykładowe metody: tabletki, przedmuch lancą, przedmuch wirnikiem. Szybkość i skuteczność odgazowania jest większa, gdy stosuje się gaz aktywny (np. chlor), niż gaz obojętny jak np. argon lub azot. Jednak operacje z chlorem stwarzają znaczne problemy dla obsługi i środowiska. Kompromisem jest stosowanie mieszaniny gazów, np. N₂ + Cl₂, która pozwala na skuteczne odgazowanie przy niewielkiej emisji gazów szkodliwych.

- przedmuchiwanie kąpieli metalowej gazami. Należy tu przede wszystkim uwzględnić proces VOD (przedmuch tlenem) oraz AOD (przedmuch argonem)

- filtracja - jest skuteczną metodą oczyszczania metalu. Rozróżniamy filtry tkaninowe, sitka ceramiczne, filtry komórkowe i piankowe. Stosowanie filtrów powoduje:

- poprawę jakości odlewów dzięki znaczącemu zmniejszeniu zawartości siarczków i innych wtrąceń niemetalicznych, a także gazów, zwiększeniu stopnia dyspersji wtrąceń pozostałych w odlewach, zwiększeniu skuteczności ewentualnego zabiegu modyfikowania, zwiększeniu udziału perlitu w osnowie i zmniejszeniu odległości między płytkowej perlitu, prowadzi do poprawy właściwości mechanicznych

- większy uzysk dobrych odlewów w wyniku zmniejszenia się lepkości z równoczesnym zwiększeniem się napięcia powierzchniowego i gęstości ciekłego metalu, a przez to poprawy lejności i odtwarzalności

- otrzymanie jednorodnej struktury ziarna.

Żeliwo wermikularne

Technika wytwarzania żeliwa wermikularnego jest bardzo podobna do procesu otrzymywania żeliwa sferoidalnego. Polega ona na doborze

- Składu chemicznego.

- Materiałów wsadowych.

- Techniki topienia.

- Rodzaju i ilości wermikularyzatora.

- Techniki wermikularyzacji.

- Rodzaju i ilości modyfikatora.

- Techniki modyfikacji.

- Sposobu kontroli produkcji.

Do otrzymania w warunkach przemysłowych odlewów żeliwnych z grafitem wermikularnym można stosować następujące metody:

• Obróbkę ciekłego żeliwa pierwiastkami ziem rzadkich; głównie miszmetalem;

• Obróbkę ciekłego żeliwa regulowaną ilością magnezu wprowadzonej w postaci zaprawy lekkiej krzemowo - magnezowej;

• Obróbkę ciekłego żeliwa specjalnymi zaprawami zawierającymi pierwiastki sprzyjające sferoidyzacji grafitu (Mg, Ce), jak i pierwiastki utrudniające ją - desferoidyzatory (Ca, Ti, Al);

Zalety żeliwa wermikularnego:

W porównaniu z żeliwem szarym żeliwo z grafitem wermikularnym wykazuje

większe właściwości wytrzymałościowe i plastyczne, co lepiej zabezpiecza odlewy przed pękaniem, mniejszą skłonność do utleniania i pęcznienia przy podwyższonej temperaturze,

mniejszą wrażliwość na szybkość stygnięcia, co pozwala zmniejszyć grubość ścianek a tym samym masę odlewów.

Część doświadczalna

Na zajęciach laboratoryjnych zapoznaliśmy się z procesami uszlachetniania stopów na przykładzie zabiegu wermikularyzacji. Wytop obejmował przygotowanie form wlewków o grubości 2 - 13 mm. W celu otrzymania czystego metalu zastosowano filtr ceramiczny. Do form zastosowano również termopary do rejestracji zmiany temperatury krzepnącego stopu. Stop ten stosowany na bloki silników jako zamiennik Al. Do wermikularyzacji użyto Mg. Magnez ma wąską granicę do otrzymania wydzieleń wermikularnych. Dodatek Tytanu w ilości 0,1 % rozszerza zakres występowania jednak pogarsza obrabialność. Po przełamaniu pręta technologicznego zaobserwowaliśmy szary przełom, co może świadczyć o pomyślnie przeprowadzonym zabiegu. Dobrym wyznacznikiem do sprawdzenia powodzenia zabiegu jest również ocena krzywych stygnięcia. Dzięki nim możemy odróżnić żeliwo szare, sferoidalne od wermikularnego.

Skład chemiczny otrzymanego żeliwa: 3,56% C, 0,03% P, 0,01% S, 2,45% Si, 0,06% Mn, 0,02% Mg, 0,08% Ti.

Właściwości mechaniczne stopu:

Grubość ścianek [mm]	3	5	13
Twardość HB	232	181	160
Rm [MPa]	622	466	387
Wydłużenie [%]	5,4	6,1	6,4

Żeliwo wermikularne obejmuje norma EN 16079-2011. Według niej dopuszczalna ilość grafitu sferoidalnego nie może przekraczać 30% wszystkich wydzieleń grafitu.

Przeprowadzone badania metalograficzne na mikroskopie Leica pozwoliły określić rodzaj wydzieleń w zależności od grubości ścianki. Próbki oglądano przy powiększeniu 100x.

Grubość ścianki [mm]	3	5	13
Udział grafitu kulkowego [%]	10 - 15	20	25 - 30

Żeliwo zostało sklasyfikowane według normy EN 16079-2011 Zalicza ona otrzymane przez nas żeliwo do gatunku GJV - 350.

Klasyfikacji dokonano dla grubości ścianki 15 mm

Rm = 350 - 425 MPa

A = 1,5 - 4 %

Twardość = 160 - 220 HB

Wnioski

Przeprowadzone laboratorium zapoznało nas z procesami uszlachetniania stopów. Przeprowadzony zabieg wermikularyzacji pokazał że ingerencja w stop może w znacznym stopniu polepszyć jego właściwości. Możemy stwierdzić że duży wpływ na właściwości mechaniczne jak i strukturę ma grubość ścianki. Wraz ze wzrostem grubości obserwujemy spadek twardości oraz wytrzymałości na rozciąganie, a wzrost wydłużenia. Widzimy również, że ze zmniejszaniem grubości ścianki rośnie ilość wydzieleń sferoidalnych. Ich ilość jest jednak dopuszczalna wg normy EN 16079-2011. Brak wydzieleń płatkowych świadczy o dobrze przeprowadzonym procesie. Norma również określa lepszą wytrzymałość od żeliwa szarego oraz lepszą lejność, skrawalność i odpornością na pełzanie od żeliwa sferoidalnego. Może być stosowane m. in. na sprzęgła, wsporniki, do wlewnic.

Literatura:

1) C. Podrzucki: Żeliwo struktura właściwości zastosowanie. Tom 1 i 2, Wyd. ZG

STOP, Kraków 1991.

2) E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa - wybrane zagadnienia. Wydawnictwo

„Archiwum Odlewnictwa”, Katowice 2001

3) Wykład: Procesy uszlachetniania stopów, prowadzony przez E. Guzik,

Kraków 2010/2011.

---