PL234793B1 - Sposób modyfikowania struktury pierwotnej żeliwa z grafitem wermikularnym na odlewy cienkościenne - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania struktury pierwotnej żeliwa z grafitem wermikularnym na odlewy cienkościenne, zawierającego masowo: 20-37% niklu, 1-6% krzemu, do 2% chromu, do 1,5% manganu, 2,4-3,5% węgla, do 0,02% siarki reszta żelazo, znajdujący zastosowanie do wytwarzania wysokojakościowego żeliwa o osnowie austenitycznej z grafitem wermikularnym.

Żeliwo z grafitem wermikularnym należy do grupy żeliwa wysokojakościowego i jest ważnym stopem odlewniczym, który cechuje się wysoką odpornością na wstrząsy cieplne, wysokimi właściwościami mechanicznymi oraz stosunkowo niskimi kosztami produkcji, porównywalnymi z kosztami produkcji żeliwa sferoidalnego.

Znane jest z publikacji: R. Covert „Properties and Applications of Ni-Resist and Ductile Ni-Resist Alloys”, 1998 r. oraz Cz. Podrzucki „Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie”, tom 2, ZG STOP, Kraków 1991 r., str. 291,298, 302, 387, 406, żeliwo o osnowie austenitycznej, które cechuje się wysoką odpornością korozyjną, zwłaszcza na działanie wody morskiej i kwasów o średniej mocy, znacznie przewyższającą niestopowe gatunki żeliwa. Bardzo cenną zaletą żeliwa o osnowie austenitycznej jest możliwość pracy w temperaturach wysokich do 760°C, a także ekstremalnie niskich do -170°C.

Znane z praktyki przemysłowej jest stosowanie dodatku tytanu jako odtleniacza, rafinatora i modyfikatora w procesie otrzymywania stali, jednak nie jest on wskazywany jako modyfikator w żeliwie, co zostało przedstawione między innymi w następujących publikacjach: D. M. Stefanescu „Science and Engineering of Casting Solidification”, Wydanie trzecie, Wydawnictwo Springer, 2015, str. 44, 448 oraz E. Fraś „Krystalizacja metali”, WNT, Warszawa 2003, str. 455.

Znane z polskiego opisu patentowego PL174712B1 żeliwo stopowe austenityczne zawiera masowo: 1,2-3,5% krzemu, 2,0-7,0% manganu, 0,5-6,0% miedzi, 0,1-3,0% chromu, 4,0-10,0% niklu, 2,5-3,8% węgla, do 0,6% fosforu i do 0,15% siarki, resztę stanowi żelazo, przy czym ilość krzemu, niklu, manganu i miedzi stanowi wartość ekwiwalentu niklowego żeliwa i określona jest według wzoru: Eni = -0,2 Si + Ni + 6 Mn + 0,5 Cu (% masowych) i zawarta jest w zakresie od 20 do 40% masowych. Żeliwo to przeznaczone jest zwłaszcza do wyrobów stosowanych w przemyśle maszynowym i wydobywczym.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL166489B1 sposób modyfikowania grafityzującego żeliwa z grafitem wermikularnym, który polega na tym, że modyfikowanie prowadzi się w dwóch etapach: wprowadzając w pierwszym etapie modyfikator grafityzujący w ilości 0,3-0,8% masowych w stosunku do ilości ciekłego metalu, a po dodaniu wermikularyzatora w postaci stopu metali z grupy pierwiastków ziem rzadkich wprowadza się drugą porcję modyfikatora grafityzującego w ilości 0,5-1,0% masowych w stosunku do ilości ciekłego metalu. Jako modyfikator grafityzujący stosuje się żelazokrzem o zwiększonej do 5% masowych zawartości wapnia.

W zgłoszeniu AU2016250374A1 ujawniono grupę stopów żelaza o następującym składzie chemicznym podanym w % masowych: 2-35% krzemu, do 20% manganu, do 20% niklu, do 20% boru, do 6% węgla, do 6% azotu, do 5% mikrododatków wybranych z grupy obejmującej: tytan, cyrkon, niob, wanad, molibden, ren i wolfram, reszta żelazo, znajdujących zastosowanie głównie w górnictwie.

Istotą sposobu modyfikacji struktury pierwotnej żeliwa z grafitem wermikularnym na odlewy cienkościenne, zawierającym masowo: 20-37% niklu, 1-6% krzemu, do 2% chromu, do 1,5% manganu, 2,4-3,5% węgla, do 0,02% siarki, reszta żelazo, jest to, że wraz w wermikularyzatorem i modyfikatowem grafityzującym wprowadza się tytan w ilości 0,03-0,35% masowych w stosunku do masy ciekłego metalu, który następnie wlewa się do formy odlewniczej przed upływem 150 sekund od zabiegu modyfikacji.

Mechanizm kształtowania struktury w odlewach cienkościennych z żeliwa wermikularnego jest ściśle związany ze wzrostem grafitu wermikularnego.

Dendryty austenitu mają istotny wpływ na kształtowanie końcowej struktury odlewów i ewentualne występowanie w nich wad typu porowatości skurczowe. Różny stan fizykochemiczny związany jest z czasem przetrzymania ciekłego metalu po zabiegach wermikularyzacji i modyfikacji grafityzującej, oraz z zastosowaniem dodatku Ti, który wytwarza podkładki do zarodkowania heterogenicznego fazy pierwotnej tj. dendrytów austenitu stopowego.

Zaletą sposobu modyfikacji według wynalazku jest transformacja dendrytów z postaci kolumnowej na równoosiową tj. przejście od krystalizacji egzogenicznej do endogenicznej. Transformacja ta ma duże znaczenie w kształtowaniu struktury i właściwości odlewów cienkościennych z żeliwa wermikularnego. Podczas procesu krystalizacji występujące dendryty wpływają na ruch ciekłego metalu, zasilanie, występowanie porowatości skurczowej oraz oddziałują także na grafit poprzez to, że następuje pochłanianie cząstek grafitu przez przemieszczający się front krystalizacji podczas przemiany eutektycznej.

PL 234 793 B1

P r z y k ł a d

W piecu indukcyjnym średniej częstotliwości o pojemności tygla 15 kg roztopiono wsad zawierający: surówkę Sorelmetal w ilości 6,5 kg, złom stalowy w ilości 1,3 kg, krzem technicznie czysty - 0,130 kg, żelazo-mangan - 0,140 kg oraz czysty nikiel (99,99% Ni) - 2,7 kg. Stop przegrzano do temperatury 1490°C, w której przetrzymywano ciekły metal przez 120 sekund. Następnie przeprowadzono zabieg wermikularyzacji i modyfikacji przy użyciu metody dzwonowej. Żelazotytan FeTi70 w ilości 0,2 % masowych w stosunku do masy ciekłego metalu umieszczono w dzwonku stalowym wraz z komercyjnym wermikularyzatorem w ilości 0,9% masowych w stosunku do masy ciekłego metalu, oraz modyfikatorem grafityzującym w ilości 0,6% masowych w stosunku do masy ciekłego metalu. Ciekły metal wlano do formy odlewniczej przed upływem 150 sekund oraz po upływie 300 i 600 sekund od przeprowadzonego zabiegu.

Otrzymano żeliwo zawierające masowo: 2,43% węgla, 2,28% krzemu, 22,84% niklu, 0,81% manganu, 0,008% siarki, 0,037% magnezu oraz 0,13% tytanu, z którego odlano standardowe wlewki typu „Y” o grubości ścianki 5 mm. Ze środków geometrycznych części roboczej tych wlewków wycięto próbki na zgłady metalograficzne do oceny struktury. Badania mikrostruktury przy użyciu mikroskopu metalograficznego wykazały, że żeliwo odlane przed upływem 2,5 minuty charakteryzuje się równoosiowym pierwotnym ziarnem austenitu, natomiast w pozostałych przypadkach tj. po upływie 300 i 600 sekund ziarna austenitu miały kształt kolumnowy.

Dla porównania przeprowadzono analogiczny wytop o takim samym namiarze wsadu oraz parametrach wytopu, ale podczas zabiegu wermikularyzacji i modyfikacji grafityzującej nie dodano tytanu. Otrzymano żeliwo zawierające masowo: 2,55% węgla, 2,15% krzemu, 23,50% niklu, 0,85% manganu, 0,010% siarki, 0,050% magnezu oraz 0,002% tytanu, z którego odlano standardowe wlewki typu „Y” o grubości ścianki 5 mm przed upływem 150 sekund oraz po upływie 300 i 600 sekund od przeprowadzonego zabiegu. Badania mikrostruktury wykazały we wszystkich przypadkach kolumnowy kształt pierwotnych ziaren, austenitu.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób modyfikacji struktury pierwotnej żeliwa z grafitem wermikularnym na odlewy cienkościenne, zawierającym masowo: 20-37% niklu, 1-6% krzemu, do 2% chromu, do 1,5% manganu, 2,4-3,5% węgla, do 0,02% siarki, reszta żelazo, znamienny tym, że wraz w wermikularyzatorem i modyfikatorem grafityzującym wprowadza się tytan w ilości 0,03-0,35% masowych w stosunku do masy ciekłego metalu, który następnie wlewa się do formy odlewniczej przed upływem 150 sekund od zabiegu modyfikacji.