Transcript Mystery of molten metal

Ocena stanu metalurgicznego żeliwa
z grafitem wermikularnym w oparciu
o pomiar aktywności tlenu
i wybrane parametry krzywej krzepnięcia
Mieczysław Kuder, Andrzej Pytel
Zakład Stopów Żelaza
ul. Zakopiańska 73
30-418 Kraków
tel. +48 12 26 18 111
fax +48 12 26 60 870
[email protected]
Wprowadzenie
W przypadku rodzajów żeliwa, poddawanych obróbce zmieniającej stan
fizykochemiczny ciekłego stopu, szczególnie sferoidalnego i wermikularnego,
oznaczanie składu chemicznego i temperatury wymaga stosunkowo dużej
ilości czasu i nie daje pełnego obrazu jego stanu fizykochemicznego. Między
innymi nie uwzględnia stopnia utlenienia; tlen zawarty w kąpieli powoduje
zgar wprowadzanych aktywnych składników zapraw. Przy stosowaniu stałych
parametrów obróbki, nie zawsze otrzymuje się efekty zgodne z oczekiwanymi.
Różnice dotyczą przede wszystkim postaci i rozłożenia wydzieleń grafitu, które
mają znaczący wpływ na właściwości tworzywa.
Badania udowodniły ścisły związek przebiegu krzywej krzepnięcia
żeliwa, położenia charakterystycznych punktów tej krzywej z właściwościami
odlewniczymi żeliwa jak: skurcz, skłonność do tworzenia obciągnięć, jam
skurczowych, porowatości, jak również powstałą strukturą po zakrzepnięciu w
formie odlewniczej a szczególnie morfologią wydzieleń grafitu (postać, ilość,
rozłożenie) i właściwościami mechanicznymi.
Podobnych obserwacji dokonano w przypadku pomiaru aktywności
tlenu w ciekłym żeliwie poddanym obróbce stopami magnezu. Im niższa
aktywność tego pierwiastka w ciekłym żeliwie, tym większa tendencja do
tworzenia zwartych i sferoidalnych postaci grafitu. Zależności ustalone przez
F. Seutensa przedstawione na rys. 2 i 3 wiążą postać wydzieleń grafitu,
wydłużenie i skłonność do tworzenia makroporowatości żeliwa z aktywnością
tlenu w ciekłym żeliwie, mierzoną bezpośrednio przed zalewaniem form.
Istotnym czynnikiem, mogącym zmieniać to oddziaływanie jest zawartość
siarki w kąpieli.
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
W celu przyspieszenia procesu metalurgicznego otrzymywania żeliwa
oraz ustabilizowanie jego jakości, podjęto próby zastosowania nowych metod
pomiarowych, zamiast tradycyjnych lub jako ich uzupełnienie, do bieżącej
oceny jakości produkowanego stopu lub nawet sterowania procesem
metalurgicznym. Metody te stosunkowo szybkie (np. pomiar aktywności tlenu
trwa kilkanaście sekund, analiza krzepnięcia – ok. 3 min.) pozwalają w
przypadku wykrycia jakichkolwiek nieprawidłowości, na ingerencję w proces
metalurgiczny i wyeliminowanie partii odlewów z wadami. Zasadniczo
dotychczasowe badania i próby zastosowania skupiały cię na procesie
otrzymywania żeliwa sferoidalnego.
Poniżej przedstawione zostaną próby zastosowania profesjonalnej
aparatury pomiarowej, wykorzystującej w/w metody pomiarowe do procesu
produkcji żeliwa wermikularnego:
 system adaptacyjnej analizy krzywej krzepnięcia ATAS®
 system pomiaru aktywności tlenu Celox®-Foundry z przyrządem Multi-Lab
III CF
ATAS® to zaawansowany system analizy termicznej, opracowany
przez firmę NovaCast Foundry Solutions AB, który w trakcie krzepnięcia
próbki wytapianego żeliwa w kubku pomiarowym, dokonuje identyfikacji
charakterystycznych punktów na krzywej krzepnięcia, porównuje z
optymalnymi parametrami, znajdującymi się w bazie danych programu,
generuje ocenę jakości metalurgicznej stopu , prognozuje możliwości
powstania wad typu skurczowego jak również podaje ewentualne środki
zaradcze.
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
Dodatkowy panel „ATAS Ductile” sprawia, że w przypadku żeliwa obrabianego
magnezem (sferoidalnego, wermikularnego), na ekranie pomiarowym
wyświetlane są wytyczne ewentualnej korekty składu chemicznego oraz
skorygowane parametry obróbki zaprawą (przewodem magnezowym lub
miszmetalem cerowym) i modyfikatorem, które umożliwiają w sposób
ekonomiczny uzyskać optymalne właściwości żeliwa zalewanego do form i
„zdrowe”, wolne od wad odlewy.
Sposób ustalania charakterystycznych
parametrów krzywej krzepnięcia żeliwa
Typowe wartości niektórych parametrów krzywej
krzepnięcia żeliwa określone systemem ATAS
Parametr
Żeliwo szare
Żeliwo wyjściowe do
sferoidyzacji
Żeliwo sferoidalne
TElow, °C
1135 – 1155
> 1145
1135 - 1150
R, °C
3-8
< 8
1–5
GRF 1
40 – 80
> 80
70 - 120
GRF 2
15 - 35
< 35
35 – 60
TS, °C
1100 - 1125
Zależnie od gatunku
(wytrzymałości)
< 1105
1080 - 1105
0 – 5 (zależnie od
grubości ścianki)
S1
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
Celox®-Foundry to opracowany przez firmę Heraeus Electro-Nite system pomiaru aktywności
tlenu w ciekłym żeliwie z użyciem jednorazowych czujników, instalowanych na specjalnej lancy
wibracyjnej. Aktywność tlenu rozpuszczonego w kąpieli określana jest przez pomiar siły
Elektromotorycznej odpowiednio dobranego ogniwa stężeniowego, stanowiącego zasadniczy
element czujnika CF-Nod. Drugim składnikiem jest termopara Pt/PtRh10, do dokładnego pomiaru
Temperatury kąpieli. Dzięki wysokiej czułości, rzędu 1 ppb = 0,0001 ppm, i wysokiej powtarzalności
wyników, możliwe stało się zastosowanie do żeliwa poddanego obróbce stopami magnezu, tj.
Sferoidalnego i wermikularnego.
Typowe zawartości tlenu w różnych
rodzajach żeliwa (wg Seutens’a)
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
Wpływ aktywności tlenu na wydłużenie żeliwa
i skłonność do powstania makroporowatości
w odlewach (wg Seutens’a)
www.iod.krakow.pl
Procedura badań
Wstępnym założeniem badań był pomiar aktywności tlenu i
określenie parametrów charakterystycznych punktów krzywej krzepnięcia w
żeliwie o zróżnicowanej osnowie i postaci grafitu.
Wytopy przeprowadzono w piecu indukcyjnym tyglowym, średniej
częstotliwości i wyłożeniu obojętnym. Dla uzyskania zróżnicowanej struktury
osnowy żeliwa, zastosowano różne zawartości pierwiastków stopowych: Ni,
Cu i Mo. Temperaturę kąpieli kontrolowano przy pomocy termopary
zanurzeniowej. Po roztopieniu wsadu i przegrzaniu do temp. ok. 1450°C,
pobrano próbki do oznaczania składu chemicznego metodą spektrometryczną,
zalewano próbniki kubkowe Quik-Cup do analizy krzywej krzepnięcia
systemem ATAS i dokonywano pomiaru aktywności tlenu systemem CeloxFoundry przy użyciu czujnika CF-Nod. W tyglu pieca przeprowadzano obróbkę
zaprawą krzemowo-magnezowo-cerową i modyfikatorem złożonym w ilości
0,6%. Analogicznie jak poprzednio, pobierano próbki do oznaczania składu
chemicznego, zalewano czujniki kubkowe systemu ATAS, mierzono aktywność
tlenu i odlewano wlewki próbne YII (25 mm).
Badania składu chemicznego wykonano przy użyciu spektrometru
emisyjnego ARL typu Metal Analyser, Badania metalograficzne, na próbkach
wyciętych z wlewków próbnych, zostały wykonane za pomocą mikroskopu
metalograficznego AXIO OBSERWER Z1m i kamery do zdjęć cyfrowych.
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
Zawartość pierwiastków, % wag.
Żeliwo
Wytopy doświadczalne i pomiary
systemami Celox-Foundry i ATAS
Skład chemiczny żeliwa
z wytopów doświadczalnych
C
Si
Mn
P
S
1-b
4,05
1,22
0,48
0,060
0,025
1-f
3,85
1,95
0,52
0,050
2-b
4,05
1,40
0,48
2-f
3,85
2,32
3-b
4,03
3-f
3,80
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
Mg
Ni
Cu
Mo
-
0,17
0,20
0,28
0,020
0,018
0,16
0,20
0,28
0,050
0,25
-
0,85
1,05
0,34
0,50
0,050
0,020
0,018
0,83
1,04
0,35
1,54
0,50
0,045
0,022
-
0,84
0,50
0,23
2,33
0,52
0,042
0,016
0,023
0,83
0,52
0,23
www.iod.krakow.pl
Wyniki badań
Rysunek z lewej przedstawia ekran domyślny (graficzno-liczbowy) przyrządu Multi-Lab III,
stanowiący podstawowy element systemu Celox-Foundry, bezpośrednio po zakończeniu
pomiaru. Obserwacja linii temperatury i napięcia ogniwa stężeniowego, wykreślanych podczas
trwania pomiaru (na żywo) i bezpośrednio po jego zakończeniu, pozwala na ocenę
prawidłowości przebiegu tego pomiaru i poprawności uzyskanego wyniku. Rysunek z prawej
przedstawia przykładowy wykres tworzony automatycznie przez system Celox-Foundry podczas
pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie zapisywany w pamięci, obok danych liczbowych,
jako element archiwalny. Pozwala on na ocenę prawidłowości przebiegu danego pomiaru w
dowolnym czasie.
Żeliwo
Temp. żeliwa,
oC
1-f
2-b
2-f
3-b
3-f
1457,4
1465
1477,6
1473,8
1416,9
1461,1
-175,8
-235,6
-17,6
-241,8
-160,5
-241,7
Aktywność w 1420oC, aO, ppb
468,7
161,8
4444,4
135,6
612,1
151,3
bO, ppm
0,773
0,38
7,951
0,389
0,589
0,334
Sem ogniwa, Emf, mV
Wyniki pomiaru aktywności
tlenu w żeliwie
1-b
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
Ważniejsze parametry żeliwa z wytopów doświadczalnych,
uzyskane z analizy krzywej krzepnięcia
Żeliwo
1-b
1-f
2-b
2-f
3-b
3-f
ACEL, %
4,36
4,48
4,3
4,37
4,36
4,27
TL, oC
1134
1139,8
1186
1207,8
1219
1144
TES, oC
1134
1125
1173,3
1188,5
1195
1143,8
TElow, oC
1134
1125
1151
1151
1154
1143
TEhigh, oC
1143
1143
1155
1151
1157
1143
R, oC
9
18
4
0
3
0
S1
0
11
21
22
31
17
GRF1
75
47
85
91
77
88
GRF2
68
128
92
168
26
71
0
0
0
0
0
0
1105,1
1076,9
1118,5
1077,1
1114,9
1088,5
45
21
69
42
72
50
Austenit pierwotny
TS, oC
Wskaźnik jakości MQ
Okno wyników z krzywą krzepnięcia
i niektórymi parametrami żeliwa 1-b
Okno oceny z niektórymi parametrami
żeliwa, wytycznymi korekty składu
i parametrami sferoidyzacji żeliwa 1-b
Okno ryzyko + objaśnienia
z oceną skłonności żeliwa 1-f
do tworzenia mikroporowatości
Okno środki zaradcze
z sugestiami działań
poprawiającymi inne
właściwości żeliwa 1-f
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
Żeliwo 1-f
20% grafitu sferoidalnego,
80% wermikularnego
Wg Seutens’a
wermik. 140 – 300
Aktywność, aO, ppb
161,8
ACEL, %
4,48
TElow, oC
1125
oC
R,
18
S1
11
GRF1
47
GRF2
128
oC
TS,
1076,9
Żeliwo 2-f
grafit płatkowy z pierwotnym
(żeliwo nadeutektyczne)
szare 300 – 1500
135,6
4,37
1151
0
22
91
168
1077,1
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
Żeliwo 3-f
80% grafit sferoidalny,
30% wermikularny
sfero 50 - 140
151,3
4,27
1143
0
17
88
71
1088,5
www.iod.krakow.pl
Analiza wyników
Otrzymane w wyniku wytopów doświadczalnych żeliwo posiada skład eutektyczny (1-b)
lub nadeutektyczny, zróżnicowaną postać grafitu i osnowy metalowej. Żeliwo z wytopu:
 1-f zawiera około 20% grafitu sferoidalnego i można je uznać za wermikularne
 2-f posiada grafit płatkowy z wydzieleniami grafitu pierwotnego (skład
nadeutektyczny), pomimo odpowiedniej dla żeliwa wermikularnego zawartości magnezu
na poziomie 0,018%
 3-f ma strukturę sferoidalną z domieszką około 20% wydzieleń grafitu
wermikularnego, przy zawartości 0,023% magnezu .
Po roztopieniu wsadu, aktywność tlenu w żeliwie wynosiła przeciętnie około
500 ppb. Po przeprowadzonej obróbce stopem Si-Mg-Ce i modyfikatorem złożonym,
poziom aktywności tlenu w żeliwie uległ znacznemu obniżeniu i wynosił w żeliwie z
przewagą grafitu wermkularnego 161,8 ppb, zaś w żeliwie z przewagą wydzieleń
sferoidalnych – 151,3 ppb. Według diagramu Seutens’a, taka wartość aktywności sytuuje
żeliwo na granicy struktury wermikularnej i sferoidalnej, co zasadniczo jest to zgodne z
uzyskaną strukturą żeliwa 1-f i 3-f. Można stwierdzić, że przyczyną niewielkich
rozbieżności jest różnica w warunkach prowadzenia badań. Dlatego jego ustalenia należy
traktować jako możliwości metody i wytyczne dla opracowania precyzyjnych zależności
odpowiednich dla indywidualnych warunków jak: skład chemiczny, rodzaj zaprawy i
modyfikatora, szybkość krzepnięcia odlewu, itp. i zawężonego zakresu aktywności tlenu,
przy którym powinniśmy otrzymać pożądaną postać grafitu w żeliwie. Ważnym
zagadnieniem jest konieczność opracowania algorytmów obliczania ilości zaprawy
sferoidyzującej (zasadniczej i korygującej), zapewniającej uzyskanie pożądznej
aktywności tlenu i wynikowo – postaci grafitu.
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
System zaawansowanej analizy krzywej krzepnięcia ATAS został opracowany dla
2 diametralnie różniących się rodzajów żeliwa – szarego (z grafitem płatkowym) i
sferoidalnego (z grafitem kulistym). Wskaźnikami informującymi o zagrożeniu
wadami typu skurczowego jak obciągnięcia, jama skurczowa są m. In.: TL, TE S,
S1, natomiast wad rodzaju porowatość i rzadzizna - R, S2, S3, GRF 1. O
skłonności żeliwa do zabieleń informuje usytuowanie temperatury TE low w
stosunku do TE Grey i TE white. Większość ustalonych zależności, mimo
wyraźnych różnic w przebiegu krzywych krzepnięcia, jest również ważna dla
żeliwa z grafitem wermikularnym. Wskaźnik grafitu GRF 2 obliczany w końcowej
fazie krzepnięcia próbki, wskazuje na morfologię grafitu. Zalecane przez twórców
systemu ATAS wartości tego wskaźnika wynoszą odpowiednio: 15–35 dla żeliwa z
grafitem płatkowym i 35-60 z grafitem sferoidalnym. Wyższe wartości mają
wskazywać na występowanie grafitu przechłodzonego. W prowadzonych
badaniach uzyskano wartości wskaźnika GRF 2 w granicach 71 do 128 w
próbkach, w których występował grafit wermikularny (w ilości odpowiednio 20 i
80%) oraz 168, gdy występował grafit pierwotny. Stąd wniosek, że właściwości
termofizyczne grafitu wermikularnego nie są prostym uśrednieniem dwu
pozostałych postaci i ustalenie zakresu wartości GRF 2 wymaga znacznie
szerszych badań.
12
www.iod.krakow.pl
Wnioski
Wyniki przeprowadzonych pomiarów podczas procesu metalurgicznego oraz badań żeliwa ze
zróżnicowaną zawartością grafitu wermikularnego w strukturze pozwalają na sformułowanie
następujących wniosków:
• Zarówno aktywność tlenu w ciekłym żeliwie jak i przebieg krzywej krzepnięcia dostarcza
informacji na temat stanu metalurgicznego ciekłego stopu i jego właściwości po
zakrzepnięciu w formie odlewniczej
• Metoda pomiaru aktywności tlenu w ciekłym żeliwie może być z powodzeniem zastosowana
do kontroli produkcji żeliwa z grafitem wermikularnym pod warunkiem opracowania
precyzyjnego zakresu jego wartości w procesie metalurgicznym prowadzonym przy użyciu
zapraw SiMgCe i specyficznych warunków konkretnej odlewni.
• System Celox-Foundry, dzięki zastosowaniu nowego typu czujnika CF-Nod i elektrycznej
lancy wibracyjnej, posiada bardzo wysoką czułość, powtarzalność wyników i krótki czas
pomiaru, może być stosowany do kontroli i sterowania procesem metalurgicznym żeliwa
wermikularnego i sferoidalnego.
• System pomiarowo-analityczny ATAS, wykorzystujący zaawansowane algorytmy oblicza
parametry charakterystycznych punktów i cech krzywej krzepnięcia, ocenia stan
metalurgiczny żeliwa oraz pozwala na prognozowanie właściwości żeliwa po zakrzepnięciu,
w tym postać grafitu.
• Dla skutecznego zastosowania systemu ATAS do kontroli i sterowania procesem
metalurgicznym żeliwa (w tym żeliwa wermikularnego), wymagane jest posiadanie bazy
danych, zawierającej zoptymalizowane parametry krzywych krzepnięcia dla produkowanych
gatunków w warunkach danej odlewni.
Projekt nr POIG.01.03.01-12-061/08-00
www.iod.krakow.pl
Ocena stanu metalurgicznego żeliwa
z grafitem wermikularnym w oparciu
o pomiar aktywności tlenu i wybrane
parametry krzywej krzepnięcia
ul. Zakopiańska 73
30-418 Kraków
tel. +48 12 26 18 111
fax +48 12 26 60 870
[email protected]
www.iod.krakow.pl
Instytut Odlewnictwa
Dziękuję za uwagę
Kopiowanie całości lub części prezentacji wymaga pisemnej zgody Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.
15
www.iod.krakow.pl