Wybrane aspekty teorii i technologii wytwarzania żeliwa sferoidalnego z węglikami otrzymywanego w stanie surowym

• Autorzy: Gumienny G.

Warianty tytułu

EN

The selected aspects of the theory and technology of carbidic nodular cast iron obtained in its raw state

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wybrane aspekty teorii i technologii otrzymywania żeliwa sferoidalnego z węglikami o różnej mikrostrukturze osnowy metalowej zapewniającej wysoką odporność na zużycie. Proponowaną technologią jest wprowadzenie dodatków stopowych, których wspólne oddziaływanie umożliwia uzyskanie osnowy metalowej żeliwa złożonej z: bainitu, martenzytu, ausferrytu lub ich mieszaniny bez stosowania obróbki cieplnej (w stanie surowym). Jako dodatki stopowe stosowano: molibden, chrom, nikiel oraz miedź w różnych proporcjach. Przeprowadzono badania wpływu ww. dodatków stopowych wprowadzanych pojedynczo i wspólnie na mikrostrukturę badanego żeliwa. Proces krystalizacji zbadano przy zastosowaniu analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Przedstawiono schemat przemiany austenitu w bainit górny lub jego mieszaninę z dolnym. Zbadano mikrosegregację pierwiastków składowych w obszarze ziarna eutektycznego i skład chemiczny węglików. Wykonano badania odporności na zużycie ścierne i adhezyjne wybranych rodzajów żeliwa sferoidalnego z węglikami. Podano zakres własności mechanicznych badanego żeliwa. Opracowano wykresy CTP wybranych rodzajów żeliwa sferoidalnego z węglikami o osnowie metalowej złożonej z: perlitu, bainitu górnego, jego mieszaniny z dolnym, martenzytu oraz ausferrytu. Dokonano symulacji procesu krystalizacji i przemian austenitu w badanym żeliwie sferoidalnym. Przedstawiono graficznie i opisano funkcyjnie ciepło spektralne krystalizacji eutektyki austenit + grafit kulkowy oraz węglików w funkcji temperatury. Analogiczne badania wykonano dla przemian w stanie stałym. Przeprowadzone badania wykazały możliwość uzyskania w żeliwie sferoidalnym osnowy metalowej złożonej z bainitu, martenzytu lub ausferrytu bez stosowania obróbki cieplnej odlewów. Obecność węglików powoduje istotne zwiększenie odporności na zużycie przy nieznacznym spadku własności plastycznych.

EN

The paper presents selected aspects of the theory and technology of carbidic nodular cast iron of various metal matrix microstructure which providing high wear resistance. The proposed technology is the introduction of alloy additions, which joint effect enables to obtain a cast iron metal matrix consisting of bainite, martensite, ausferrite or its mixtures without heat treatment (in raw state). Molybdenum, chromium, nickel and copper in varying proportions were used as alloying elements. The impact of the above mentioned alloy additions introduced individually and jointly on the microstructure of cast iron was investigated. The crystallization process was examined by using thermal and derivate analysis (TDA). The scheme of austenite transformation into upper bainite or its mixture with lower bainite is presented. Elements microsegregation in the eutectic cell and the chemical composition of carbides were examined. The research of abrasive and adhesive wear of the selected kinds of carbidic nodular cast iron were executed. The range of mechanical properties of tested cast iron was shown. The elaborated diagrams demonstrate continuous cooling transformation (CCT) for the selected kinds of carbidic nodular cast iron with metal matrix consisting of pearlite, upper bainite or its mixture with lower bainite, martensite and ausferrite. The experiment presents a simulation of a crystallization process and austenite transformation in tested cast iron. The spectral heat of eutectic austenite + nodular graphite and carbides crystallization versus temperature was presented with graphs as well as functionally described. Analogical research was performed for transformations in solid state. The study showed the possibility of obtaining the metal matrix in nodular cast iron which consists of bainite, martensite or ausferrite without the heat treatment of casts. Carbides cause the significant increase of wear resistance with a slight decrease in plastic properties.

Słowa kluczowe

PL

żeliwo sferoidalne; węgliki; analiza termiczno-derywacyjna; mikrostruktura żeliwa

EN

nodular cast iron; carbides; thermal derivative analysis; nodular cast iron structure

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2013
• Tom: Z. 440
• Strony: 1--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 70 poz., il. kolor., wykr.

Twórcy

autor

Gumienny G.

• Politechnika Łódzka. Wydział Mechaniczny, Katedra Technologii Materiałowych i Systemów Produkcji

Bibliografia

• [1] 45th Census of World Casting Production, Modern Casting, December 2011.
• [2] 44th Census of World Casting Production, Modern Casting, December 2010.
• [3] Fraś E., Guzik E., Kapturkiewicz W., Burbelko A., Porębski M.: Optymalizacja procesu zalewania dużego wlewka Fe-Si-Mg w celu ujednorodnienia jego składu chemicznego, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1998, Nr 37, PAN – Katowice, s. 47-52.
• [4] Sobczak J., Balcer E., Kryczek A.: Sytuacja odlewnictwa w Polsce i na świecie, Ogólnopolski Dzień Odlewnika, 14 grudnia 2012, http://www.iod.krakow.pl/stronaiod/uploads/135574603984624de.pdf, dostęp 19.12.2012.
• [5] Podrzucki C.: Żeliwo: struktura, właściwości, zastosowanie, Tom 1, Wydawnictwo ZG STOP, Kraków 1991.
• [6] Guzik E.: Procesy uszlachetniania żeliwa – wybrane zagadnienia, Monografia Nr 1M, 2001.
• [7] Raghavan V.: C-Cu-Fe (Carbon-Copper-Iron), Phase Diagram Evaluations: Section II, Journal of Phase Equilibria, 2002, Vol. 23, Nr 3, s. 251.
• [8] Kosowski A., Podrzucki C.: Żeliwo stopowe, Skrypty Uczelniane, Nr 825, AGH, Kraków 1981.
• [9] Raynor G.V., Rivlin V.G.: Phase Equilibria in Iron Ternary Alloys, The Institute of Metals, Londyn, Nr 4, 1988.
• [10] Metal Handbook, Ohio, Metal Park, American Society for Metals, Tom 8, 1973.
• [11] Gierek A., Bajka L.: Żeliwo stopowe jako tworzywo konstrukcyjne, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1976.
• [12] Keough J.R.: Austempered Ductile Iron (ADI) – A Green Alternative, Applied Process Inc., April 2010, http://www.appliedprocess.com/ Custom/Document/GetFile/ab6da2d6-8675-437a-8c82-f32361edf768, dostęp: 29.09.2012.
• [13] Hayrynen K.L.: The Production of Austempered Ductile Iron (ADI), http://www.ductile.org/magazine/2006_1/hayryn.pdf, dostęp 28.09.2012.
• [14] Tybulczuk J., Kowalski A.W.: Żeliwo ADI – własności i zastosowanie w przemyśle. Atlas odlewów, Instytut Odlewnictwa w Krakowie, Kraków 2002.
• [15] Guzik E., Kapturkiewicz W., Lelito J.: Zasady otrzymywania żeliwa ausferrytycznego, Międzynarodowa Konferencja Naukowa nt. Żeliwo ADI – oferta odlewnictwa dla konstruktorów i użytkowników odlewów, Kraków, 23-24.IX.2000, s. I/11.
• [16] Daber S., Ravishankar K.S., Rao P.P.: Influence of Austenitising Temperature on the Formation of Strain Induced Martensite in Austempered Ductile Iron, J. Mater. Sci., 2008, 43 (14), s. 4929-4937.
• [17] Olson B.N., Moore D.J., Rundmam K.B., Simula G.R.: Potential for Practical Applications of Ausforming Austempered Ductile Iron, AFS Transactions, 2002, 111, s. 965.
• [18] Guzik E.: Wybrane zagadnienia kształtowania struktury i właściwości żeliwa ausferrytycznego, Archiwum Odlewnictwa, 2006, Nr 21, s. 33-42.
• [19] http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM= 243, dostęp 29.09.2012.
• [20] Putatunda S.K.: Development of Austempered Ductile Cast Iron (ADI) with Simultaneous High Yield Strength and Fracture Toughness by a Novel Two-step Austempering Process, Materials Science and Engineering: A, 2001, Vol. 315, Nr 1, s. 70-80.
• [21] Bayati H., Elliot R.: The Concept of an Austempered Heat Treatment Processing Window, Int. J. Cast Metals Res., 1999, 11, s. 413-417.
• [22] http://www.wnp.pl/artykuly/zarys-podstawowej-dzialalnosci-naukowobadawczej- instytutu-odlewnictwa,4904_0_0_2_0.html, dostęp 10.09.2012.
• [23] Guzik E.: Żeliwo ausferrytyczne i jego odmiany – struktura i wybrane właściwości, Tendencje Optymalizacji Systemu Produkcyjnego w Odlewniach, Praca zbiorowa pod red. Stanisława Pietrowskiego, Katowice – Gliwice 2010, s. 105-110.
• [24] Keough J.R., Pfaffmann G., Gledhill S.: Locally Austempered Ductile Iron (LADI), http://www.appliedprocess.com/Custom/Document/GetFile/ 140d8c74-9a51-4094-bc0c-c480c4691f2e, dostęp 24.08.2012.
• [25] Kowalski A., Pytel A.: Nowoczesne odmiany żeliwa o strukturze ausferrytycznej, Archiwum Odlewnictwa, 2006, Rocznik 6, Nr 18, s. 83-88.
• [26] http://www.appliedprocess.com/Custom/Document/GetFile/46c6d7f8- 1615-4139-89a7-284ee316073c dostęp 28.09.2012.
• [27] Keough J.R. i in.: Agricultural Applications of Austempered Iron, Metal Casting Design and Purchasing, 2009, sierpień/wrzesień, s. 28-31.
• [28] Lerner Y.S., Kingsbury G.R.: Wear Resistance Properties of Austempered Ductile Iron, J. Mater. Eng. Perform., 1998, 7 (1), s. 48-52.
• [29] Ritha Kumari U., Rao P.P.: Study of Wear Behavior of Austempered Ductile Iron, J. Mater. Sci., 2009, 44, s. 1082-1093.
• [30] Francucci G., Sikora J., Dommarco R.: Abrasion Resistance of Ductile Iron Austempered by the Two-step Process, Materials Science and Engineering: A, Vol. 485, Issues 1-2, 2008, s. 46-54.
• [31] Hemanth J.: Wear Characteristics of Austempered Chilled Ductile Iron, Materials & Design, 2000, Vol. 21, Issue 3, s. 139-148.
• [32] Pietrowski S.: Żeliwo sferoidalne o strukturze ferrytu bainitycznego z austenitem lub bainitycznej, Archiwum Nauki o Materiałach, 1997, 4, Nr 18, s. 253-273.
• [33] Keough J.R., Hayrynen K.L.: Carbidic Austempered Ductile Iron (CADI), 2000, http://www.appliedprocess.com/Custom/Document/GetFile/ 88bc0352-3233-4486-bcf6-136ede30774a, dostęp 24.08.2012.
• [34] Hayrynen K.L., Brandenberg K.R.: Carbidic Austempered Ductile Iron (CADI) – The New Wear Material, Transactions of the American Foundry Society, 2003, Vol. 111, Nr 03-088 P, s. 845-850.
• [35] Laino S., Sikora J.A., Dommarco R.C.: Development of Wear Resistant Carbidic Austempered Ductile Iron (CADI), Wear, 2008, Vol. 265, Nr 1-2, s. 1-7.
• [36] Pietrowski S.: Wpływ składu chemicznego staliwa i żeliwa sferoidalnego oraz szybkości stygnięcia odlewów na przemianę austenitu w struktury iglaste w stanie lanym, Zeszyty Naukowe nr 94, Politechnika Łódzka, 1987.
• [37] Pietrowski S., Gumienny G.: Żeliwo sferoidalne z węglikami, Archiwum Odlewnictwa, 2006, Nr 19, s. 233-238.
• [38] Pietrowski S., Gumienny G.: Krystalizacja żeliwa sferoidalnego z dodatkami Mo, Cr, Cu i Ni, Archiwum Odlewnictwa, 2006, Nr 22, s. 406-413.
• [39] Pietrowski S., Gumienny G.: Crystallization of Nodular Cast Iron with Carbides. Archives of Foundry Engineering, 2008, Vol. 8, Issue 4/2008, s. 236-240.
• [40] Pietrowski S., Gumienny G.: Bainite Obtaining in Cast Iron with Carbides Castings, Archives of Foundry Engineering, 2010, Vol. 10, Issue 1, s. 109-114.
• [41] Gumienny G.: TDA Method Application to Austenite Transformation in Nodular Cast Iron with Carbides Assessment, Archives of Foundry Engineering, 2011, Vol. 11, Issue 3, s. 159-166.
• [42] Gumienny G.: Bainitic-Martensitic Nodular Cast Iron with Carbides, Archives of Foundry Engineering, 2010, Vol. 10, Issue 2, s. 63-68.
• [43] Gumienny G.: Chromium and Copper Influence on the Nodular Cast Iron with Carbides Microstructure, Archives of Foundry Engineering, 2010, Vol. 10, Issue 4, s. 47-54.
• [44] Oleszycki H.: Rola zabiegów cieplnych w kształtowaniu struktury perlitycznej i właściwości mechanicznych niestopowego żeliwa sferoidalnego, Rozprawy nr 7, ATR Bydgoszcz, 1982.
• [45] Praca zbiorowa Instytutu Odlewnictwa: Strukturalne aspekty własności żeliwa, Kraków 1979.
• [46] Pietrowski S.: Przemiana austenit - bainit, martenzyt w żeliwie sferoidalnym, Inżynieria Materiałowa, 1990, Nr 5, s. 115.
• [47] Pietrowski S.: Control of Cast Iron and Casts Manufacturing by Inmold Method, Archives of Foundry Engineering, 2009, Vol. 9, Nr 3/2009, s. 133-142.
• [48] Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B.: Monitorowanie produkcji żeliwa sferoidalnego w warunkach odlewni, Archiwum Odlewnictwa, 2006, Nr 19, s. 239-250.
• [49] Pietrowski S., Pisarek B., Władysiak R., Gumienny G., Szymczak T.: TDA Curves of Metals Alloys and the Control of Their Quality, Postępy Teorii i Praktyki Odlewniczej, Praca zbiorowa pod red. Jana Szajnara, Katowice – Gliwice 2009, s. 345-377.
• [50] Pietrowski S., Pisarek B., Gumienny G.: Computer-aided Control of High-quality Cast Iron, Archives of Foundry Engineering, 2008, Vol. 8, Issue 1/2008, s. 101-108.
• [51] Pietrowski S., Pisarek B., Gumienny G.: Characteristic of DTA Curves for Cast Ferrous Alloys, Archives of Foundry Engineering, 2008, Vol. 8, Issue 1/2008, s. 183-197.
• [52] Projekt Badawczy pt.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD), Nr 4 T08B 013 22 (niepublikowany).
• [53] Projekt Celowy pt.: Wdrożenie autorskiego programu komputerowego kontroli produkcji żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-500-7 i GJS-600-3, ROW-484-2004 (niepublikowany).
• [54] Projekt Celowy pt.: Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością staliwa gatunku: L20; 270-480W; LH14; LH18N9, ROW-192-2003 (niepublikowany).
• [55] Projekt Celowy pt.: Wdrożenie w WSK GORZYCE S.A. systemu kontroli i sterowania jakością żeliwa austenitycznego na wkładki tłokowe metodą ATD, Nr 7T08B 164 99 C/4261 (niepublikowany).
• [56] Pietrowski S.: The Influence of Reaction Chamber Shape on Cast Iron Spheroidization Process In-mold, Archives of Foundry Engineering, 2010, Vol. 10, Issue 1/2010, s. 115-122.
• [57] Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B., Szymczak T., Władysiak R.: Analiza poprawności oceny krystalizacji wybranych stopów metodą ATD, Wysokojakościowe Technologie Odlewnicze, Materiały i Odlewy, Praca zbiorowa pod red. Stanisława Pietrowskiego, Katowice – Gliwice 2011, s. 111-132.
• [58] Nowoczesne metody oceny jakości stopów, Instytut Odlewnictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice, PAN – Oddz. Katowice, 1985.
• [59] Jura S.: Krzywa kalorymetryczna w analizie termicznej i deriwacyjnej procesu krystalizacji metali i stopów, Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN Oddz. Katowice, 1989, 14, s. 5-15.
• [60] Jura S., Jura Z.: Teoria metody ATD w badaniach stopów Al, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1996, Nr 28, s. 57-88.
• [61] Shih T.M.: Numerical Heat Transfer, Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1984.
• [62] Longa W.: Krzepnięcie odlewów, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1985.
• [63] Mochnacki B.: Substitute Thermal Capacity of Metal Solidifying in Interval of Temperature, Bulletin of the Polish Academy of Science, 1984, 32, 3-4, s. 127-143.
• [64] Jura Z.: Metoda określania spektralnego ciepła krystalizacji na podstawie próby ATD, Praca doktorska, Częstochowa 1998.
• [65] Binczyk F., Kulasa J., Przeliorz R., Smoliński A.: Określenie ciepła właściwego masy formierskiej metodą kalorymetrii skaningowej, Archiwum Odlewnictwa, 2006, Rocznik 6, Nr 22, s. 55-60.
• [66] Służalek G., Cybo J., Kapturkiewicz W.: Stereologiczna weryfikacja rezultatów modelowania struktury walców żeliwnych, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1999, Nr 27, s. 51-56.
• [67] Jura S., Jura Z.: Spektralne ciepło krystalizacji żeliwa szarego, Krzepnięcie Metali i Stopów, 2000, Rocznik 2, Nr 44, s. 149-158.
• [68] Tablice Fizyczno-Astronomiczne, Adamantan 2004.
• [69] Dymski S.: Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego podczas izotermicznej przemiany bainitycznej, Rozprawy nr 95, ATR, Bydgoszcz, 1999.
• [70] Gumienny G.: Wear Resistance of Nodular Cast Iron with Carbides, Archives of Foundry Engineering, 2011, Vol. 11, Issue 3, s. 81-88.