ZA POMOC~ ME'l'ODY A'l'D

Transkrypt

1 Krzepnięcie tali i atopóol t.11 PL ISSN )86 ISBN 8.l-G l Duoli Zbigniew KONOPKA Janusz BRASZCZ~SKI BADANIE PROCESU KRYSTALIZACJI KOMPOZY'l'OW ZBROJONYCH CZ~S'l'KAMI ZA POMOC~ ME'l'ODY A'l'D 1. Wstęp Stosowana od wielu lat metoda r6żniczkowej analizy termicznej pozwala na ocenę własności odlewów. Za pomoc!:\ metody A'l'D można obecnie scharakteryzować własności mechaniczne stopów (1, 2], skład chemiczny [ 3], czy też niektóre własności odlewnicze [ 4 J. Szczególnego znaczenia nabiera metoda A'l'D w badaniach krystalizacji odlewów. Próby wykorzystania krzywych krzepnięcia w tym zakresie podjęto w pracach [ 5, 6, 7]. Zastosowanie krzywych krzepnięcia w badaniach procesu krzepnięcia związane jest z połączeniem rozwiązań równania przewodnictwa cieplnego z danymi różniczkowej analizy tennicznej. Pozwala to na wyznaczenie wielu charakterystyk parametrów krzepnięcia, jak szybkości wydzielania ciepła krzepnięcia, szybkości zmiany temperatury danego punktu odlewu w czasie krzepnięcia czy zmiany udziału fazy stałej. Celem prezentowanej pracy jest ocena procesu krzepnięcia kompozytu Cu-Pb-'l'i-C, do której wykorzystano analizę równania przewadgr nictwa z zastosowaniem metody A'l'D. 2. Podstawy teoretyczne W przypadku małej intensywności wymiany ciepła między odlewem fonną w krzepnącym odlewie powstają bardzo małe gradienty tempera-

2 76 Zbigniew Konopka, Janusz Sraszczyński tury. Moma wówczas przyjąć jednakową temperaturę dla każdego punktu odlewu w danej chwili, czyli traktować temperaturę jako funkcję czasu. Wtedy r6wnanie r6żniczkowe przewodzenia ciepła z funkcją źródła ciepła przemiany upraszcza się do postaci [ 7]. a + 'I' ( 1) gdzie b 2 - współczynnik akumulacji ciepła masy formierskiej, R 1 - sprowadzona grubość ścianki odlewu, gęstość masy odlewu, c 1 - ciepło właściwe odlewu, -& 1 T1 - T2p' T - zmienna temperatura odlewu, 1 T 2 p - temperatura początkowa formy, 't' - czas n.. ol '"'T o't' - funkcja źródła ciepła przemiany, L - ciepło krzepnięcia. Każdy człon r6wpania (1) ma wymiar szybkości zmiany temperatury KI S. Można więc równanie ( 1) napisać ogólnie w postaci ( 2) Wielkość UT jest rzeczywistą szybkością zmiany temperatury odlewu w danym jego punkcie. Wielkość UT :~ jest bezpośrednio mierzona w czasie r6żniczkowej analizy termicznej. Wielkość UTZ jest szybkością zmiany temperatury w danym punkcie odlewu, wynikająca z działania funkcji źródła ciepła. Nosi ona nazwę źródłowej szybkości zmiany temperatury. Wielkość UTG jest szybkością zmiany temperatury danego punktu odlewu związaną z ilością ciepła dopływającego i odpływającego od tego punktu. Nosi ona nazwę gradientowej szybkości zmiaey temperatury. Funkcję źródła ciepła (?JT można przekształcić wprowadzając pojęcie spektralnego ciepła krzepnięcia ( 3) Zakładając, że ilość wydzielonego ciepła krzepnięcia jest wprost pro-

3 Badanie procesu -k!'ystalizacji kompozyt6w zbrojonych 77 pol'cjonalna do spadku temperatury z :zakresu temperatur krzepnięcia_ można zapisać ( 4) Uwzględniaji!\C zależność ( 4) i ( 3) w równaniu ( 1) uzyskuje się kolejną postać równania krzepr;uęcia dla małej intensywności wymiany ciepła V 3t't' 1 R1 91 c1 ef gdzie c ~ 1 ef c 1 +.1Tkr - efektywne ciepło właściwe. ( 5) Rozwil\zując równanie. ( 5) z warunkiem poczl\tkowym dla 't: O,r 1 "-zal otrzymuje się równanie temperatury odlewu w danym punkcie ( 6) Obraz graficzny równania ( 6) jest uzyskiwany bezpośrednio na wykresie analizy termicznej. Różniczkując zależność ( 6) po czasie otrzymuje się związek na rzeczywistą szybkość zmiany temperatury odlewu UT. Wielkość UT jest rejestrowana na wykresie różniczkowej analizy termicznej (7) Gradientowa szybkość zmiany temperatury określona jest zależnością ( 8) W stawiając do równania ( 8) równanie ( 6) całkując otrzymuje się za- leżność na temperaturę gradientową -&G (9)

4 78 Zbilniew Konops.Januaz Braazczxńald ~r6dlowł\ temperatu~ oc:llewu okreśuć można z zależności Natomiast funkcję źr6dła ciepła f' 1.' wyznaczyć można z r6wnania (11) Ocenę kinetyki procesu krzepnięcia można dokonać anallzujł\c zmianę udziału fazy stałej w czasie. Równanie r6żniczkowe jednowymiarowego przepływu ciepła można napisać także w postaci (12) gdzie. V? ('t') V('t') zmienny w czasie krzepnięcia udział fazy stałej, o V(t') - objętość zakrzepła, V 0 - całkowita objętość stopu, A 1 -; wsp6łczynnik przewodzenia stopu, gęstość masy stopu, L - ciepło krzepnięcia, c 1 - ciepło właściwe. Uwzględniając przyjęte wcześniej założenia określenia r6wnanie ( 12) można napisać w postaci (13) Rozwiązując równanie (13) ze względu na? ('t') uzyskuje się 't' ln 9 ('t') : 1 J UTZ('t')dt' + c. t'2 (14) Stałą c można wyznaczyć z następującego warunku: dla 't' 't' 2 - początek krzepnięcia UTZ('t') O i 9 (t')?o Ponieważ w ciekłym stopie w momencie początku krzepnięcia istnieje pewna część fazy stałej w postaci cząstek niemetalicznych, clustersów, bądź też specjalnie wprowadzonych zarodków (np. stopy suspensyjne), można więc przyjąc początkowy udział fazy stałej r6wny? 0. Uwzględniając to założenie

5 Badanie procesu krystalizacji kornpozył6w zbrojonych 79 otrzymuje się ostatecznie zależność na zmianę fazy stałej w czasie krzepnięcia stopu w postaci (15) Wartość całki w r6wnaniu ( 15) można wyznaczyć maj~ dane UTZ z analizy tennicznej bl\dź z zależności ( 10). 3. Spos6b przeprowadzenia pomiar6w wyniki Przedstawione zależności zostały wykorzystane do analizy procesu krzepnięcia badanych kompozyt6w odlewanych Cu-Pb-Ti-Cgr. Badaniom poddano porównawczo stopy podw6jne Cu-Ti, Cu-Pb, potrójny Cu-Pb-Ti oraz kompozyty Cu-Pb-Ti-Ggr o zmiennej zawarłości grafitu. Stosowano grafit błyszczl\cy o ziarnistości p. m. Skład chemiczny badanych stopów przedstawiono w tab. 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopów badanych metodą ATO Oznaczenie ~ Cu ~ Ti ~ Pb ~ cgraf stopu 1 95,40 4, ,12 4, ,72 4,48 4, ,79 4;58 4,66 2,97 Różniczkową analizę tenniczną realizowano za pomocą urządzenia Crystaldigraf na odlewach w kształcie płyty o wymiarach 250 x 100 x 18 mm z umieszczoną w środku cieplnym odlewu tennaparą Pł-PłRh10. Przyjęcie odlewu płyty miało na celu spełnienie podstawowych założeń do obliczeń chare.kterystycznych parametrów krzepnięcia. Odlewy wykonano w fonnach piaskowych o nieograniczonej grubości wykonanych w bentonicie. Dokonując pomiaru pola temperatur w fonnie wyznaczono współczynnik aku'fulacji ciepła b 2 dla tej masy. Jego wartość wynosiła 1, ~~K Z wykresów różniczkowej analizy termicznej odczytywano 11 zal'.ll T kr' 'l' lik' 'l' sol' 't' kr, t', 1!r 1 i U T* Wielkości te stano-

6 80 Zbigniew Konopka, Janus.z Braszczyński wiły.. dane wejś~iowe do obliczeń na mikrokomputerze Mera Ponadto do obliczeń wprowadzono dane, jak: L, 9 wyznaczając. je.$ 1 1 prawa addytywności dla danego składu stopu. Oszacowano również wielkość!7 uwzględniając udziały grafitu w kompozytach. Dane te 0 przedstawiono w tab. 2. Tabela 2. Dane do obliczeń cyfrowych procesu krzepnięcia badanych stopów O zna- "'zal TL T s L\ T kr 1:'kr L1 p1?o czenia 3 stopu (OC) (OC) (OC) (OC) (s) (kj )( (!!L) (%) kg kg ,4 1, ,7 1, ,5 1, ,3 4,.80 Dla każdego stopu wyliczano chwilowe wartości efektywnego ciepła właściwego c 1 ef" Do dalszych obliczeń przyjmowano średnią arytmetyczną wartość c 1 ei Gradientową szybkość zmiany temperatury U'I'Ci- wyznaczano z zależności ( 8), natomiast. źr6dłową szybkość zmiany temperatury U TZ z równania ( 2). Krzywe krzepnięcia uzyskane z różniczkowej analizy termicznej wraz z obliczonymi U'l'G i UTZ dla badanych stopów przedstawiono na rys Funkcję źr6dła ciepła ~T wyliczono z równania (11), a jej wykres dla badanych stopów przedstawiono na rys. 5. Z zależności ( 9) i ( 10) obliczono wartości temperatur 't1' G i 't1' Z' a ich wykresy zamieszczono na rys. 6 i 7. Z r6wnania (15) i (10) wyznaczono wartości że przedstawiono na rys. B. Analiza wartości l') ('t') funkcji ~T badanych stopów (rys. 5) wykazuje, obecność grafitu w stopie Cu-Pb-Ti powoduje bardziej równomierne wydzielanie się ciepła krzepnięcia w porównaniu ze stopami nie zawierającymi grafitu. Wyższe wartości funkcji ~T dla kompo~ów Cu-Pb -Ti-C f w por6wnaniu ze stopami bez udziału grafitu sugerują twi.ergra dzenie o odmiennej kinetyce i mechanizmie krzepnięcia tych stopów. Przy wyższym udziale grafitu obserwuje się znacznie większą szybkość wydzielania ciepła krzepnięcia w pierwszym okresie krystalizacjl Fakt ten może świadczyć o pewnym modyfikującym i katalitycznym wpływie

7 Badanie procesu krystalizacji kompozyt:6w zbrojonych 81 grafitu na zarodkowanie. Cząstki grafitu stanowią prawdopodobnie zarodki dodatkowe cieczy, a także zwiększają intensywność wzrostu zarodków poprzez oddziaływanie fizykochemiczne. Badania analizy fazo- d t Ck (f) 3,5 3,0 2,5 2,0 T (OC) 1,5 1, ,5-2,0-2,5-3,0-3,5-4,0-4,5 O t'(s) Rys. 1. Krzywe krzepnięcia stopu 1: Cu-'T'i wej tych kompozyłów stwierdzają znacznie większą koncentrację tytanu i ołowiu wokół cząstek grafitu w porównaniu z pozostałym obszarem stopu. Odmienny także charakter wykazuje krzepnięcie stopu Cu-Pb. Przebieg funkcji (3'T' jest bardzo nierównomien1y, co spow.odowane jest

8 82 Zbigniew Konopka, Janusz Sraszczyński prawdopodobnie skłonnością do segregacji ołowiu w tych stopach i jest zjawiskiem niekorzystnym. W tym aspekcie dodatek grafitu stwarza sprzyjające warunki do bardziej równomiernego rozłożenia ołowiu w strukturze kompozytu. 766.dl d 'f (f) ,5 2,0 1,5 1,0 0,5 o -o.s ,5-2, ,0-3,5-4,0-4, 't'(s} Rys. 2. Krzywe krzepnięcia stopu 2: Cu-Pb Sugestie te potwierdza analiza zmian temperatury gradientowej ".G źródłowej."_z w czasie krzepnięcia badanych stop6w. Kompozyty zawierające grafit wykazują znacznie wolniejsze zmiany tych temperatur

9 Badanie procesu krystalizacji kompozyłów zbrojonych 83 w porównaniu ze stopem porównawczym Cu-Pb-Ti. Zmiany kinetyki krzepnięcia w wyniku oddziaływania grafitu potwierdza obliczona zależność zmiany udziału fazy stałej? w czasie krzepnięcia. Przyrosty 2.1 d 'l" (f) 3,5 T 1,5 (OC) 1, o.s 1144!.łr..P...: ,------~~::::::..._.p..;,~---f!OL_ ~o 2:5 2/J -o, s ----::::::::::...--~r::;'?""" -1, ,0-2,5-3,0-3,5-4,0-4,5 o ~o 420 'l"(s) Rys. 3. Krzywe krzepnięcia stopu 3: Cu-Ti-Pb fazy stałej w kompozyłach zawierających grafit są większe w porównaniu ze stopami porównawczyml Potwierdza to hipotezę o zarodkotw6rczym oddziaływaniu grafitu w czasie krystalizacjl

10 84 Zbigniew Konopka, Janusz Braszczyński T ("C) ,5 1144~ ~~ ~o ,5 d T d 't' (f) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0-1, ,5-2P -2,5-3,0-3,5-4,0-4, r(s) Rys. 4. Krzywe krzepnięcia stopu 4: Cu-Pb-Ti-C f gra

11 Badanie procesu krystalizacji kompozyłów zbrojonych 85 (k~ X- cu -Ti a - C u -Pb o - Cu-Pb-Ti - Cu -Pb-Ti-Cgr O t(s) Rys. 5. Zależnoś ć funkcji źródła ciepła w czasie krzepnięcia x -c u -T i o-cu - Pb o - C u -Pb-Ti e - Cu - Pb-Ti-Cgr O r(s) Rys. 6. Zmiana temperatury gradientowej w czasie krzepnięcia

12 86 Zbigniew Konopka, Janusz Braszczyński x -Cu-Ti a -Cu-Pb o- Cu-Pb-Ti - Cu-Pb Ti Cgr O t'(sl < Rys. 7. Zmiana temperatufy źródłowej w czasie krzepnięcia? l o/o) 1I) Cu Ti o- Cu -Pb o- Cu-Pb-TI - Cu-Pb -Ti -Cgr :(s) Rys. 8. Zmiana fazy stałej w czasie krzepnięcia

13 Badanie procesu krystalizacji kompozyt6w zbrojonych Wnioski - obecność grantu w kompozycie Cu-Pb-'l'i-C grat powoduje zmianę kinetyki i mechanizmu krystalizacji; - graf"rt oddziałuje zarodkatwórczo w procesie krystalizacji powodujl\c zwiększenie szybkości wydzielania ciepła krzepnięcia; - większa równomiemość wydzielania ciepła krzepnięcia dla kompozyt6w z grafitem w porównaniu ze stopami porównawczymi zwil\zana jest typowo objętościowym charakterem krzepnięcia; - grant zwiększa kinetykę krzepnięcia kompozytu Cu-Pb-'l'i-C graf.; - większa intensywność wydzielania fazy stałej stwarza korzystniejsze warunki do uzyskania odlewów o mniejszej segregacji składników stopowych. Literatura 1. Bałandin G., Formirowanije kristaliczeskowo stroenija otllwok, Maszinostroenije, Moskwa Czikel :r., Hummer R., Badanie. jakości żeliw za pomocą analizy termicznej, 43 MKO, ref. 1, Bukareszt Fraś E., Obliczanie krzywych stygnięcia odlewów, (w:) Matematyczne metody w obliczeniach procesów krystalizacji i krzepnięcia odlewów, Gliwice :rura S., Ocena struktury metalograficznej odlewu z wykorzystaniem metody A'l'D, Nowoczesne metody oceny jakości stopew, Inst. Odlewn., Gliwice 1985, s Jura s., Sakwa W., Borek K., Analiza różniczkowa procesów krzepnięcia i krystalizacji żellwa szarego, Krzepnięcie Metali i Stopów, 3 (1980) Jura s., Sakwa W., Borek K., Zastosowanie analizy termicznej i różniczkowej do określenia parametrów składu chemicznego. Krzepnięcie Metali i Stopów, 3 (1980) Longa W., Ogólne podstawy teoretyczne analizy różniczkowej krzywych stygnięcia odlewów, Arch. Hutn., 3 ( 1983)