GRADIENTOWA STRUKTURA ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Transkrypt

1 90/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 8 (/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006, Volume 6, N o 8 (/) PAN Katowice PL ISSN GRADIENTOWA STRUKTURA ŻELIWA SFEROIDALNEGO E. FRAŚ, M. GÓRNY, H. LOPEZ AGH - University of Science and Technology, Reymonta, Cracow, Poland University of Wisconsin-Milwaukee, 00 N. Cramer, Milwaukee, WI 50, USA STRESZCZENIE Badania wykonano z wykorzystaniem super cieńkościnnych odlewów z żeliwa sferoidalnego. Określono ich strukturę oraz gradienty: gęstości kulek grafitu, udziału ferrytu oraz eutektyki cementytowej. Przedstawiono podstawy teoretyczne spadku temperatury w odlewach oraz jego związku z kształtowaniem się gradientów strukturalnych. Wyniki obliczeń teoretycznych zweryfikowano doświadczalnie oraz obliczono także absolutną wartość skłonności żeliwa do zabieleń. Key words: ductile cast iron, gradient materials. WPROWADZENIE Zaawansowane zastosowania konstrukcyjne wymagają wielofunkcyjnych elementów roboczych, posiadających więcej niż jedną własność użytkową. Spowodowało to rozwój nowych materiałów zwanych materiałami gradientowymi []. Żeliwo sferoidalne, charakteryzuje się dużą wrażliwością na szybkość stygnięcia, co w konsekwencji prowadzi do gradientów strukturalnych G x, czyli ciągłej zmiany cech strukturalnych żeliwa (a zatem i właściwości) wzdłuż jednego z jego wymiarów. W ostatnim okresie czasu wzrasta zapotrzebowanie na super cienkościenne odlewy z żeliwa sferoidalnego o grubości ścianki poniżej mm, zapewniających wysoki stosunek wytrzymałości do masy odlewu []. Celem niniejszej pracy jest uwzględnienie tych dwóch nowych tendencji rozwoju materiałów, poprzez zbadanie kształtowania się gradientów strukturalnych w odlewach super cieńkościennych.. METODYKA BADAŃ Do badań wykorzystano żeliwo sferoidalne wytopione w piecu indukcyjnym, które odlewano do form piskowych odtwarzających płytki o grubości s = 0,5 cm i długości 0.0 cm. W belce żużlowej umieszczono termoelement Pt/Pt Rh w celu analizy termicznej i pomiaru początkowej temperatury żeliwa T p, która wynosiła 80 o C. Przy tej temperaturze długość Z otrzymanych próbek była mniejsza, niż długość wnęki formy. Z pomiarów wynika, że średnia długość Z =7,5 cm. Po przecięciu płytek wzdłuż długości, wykonano typowe badania metalograficzne, które pozwoliły określić gęstość kulek grafitu N (mm - ) oraz udziały ferrytu f f i eutektyki cementytowej f c, 9

2 zależnie od odległości x mierzonej od belki żużlowej do końca płytek. Do przeliczenia powierzchniowej gęstości kulek grafitu na gęstość objętościową N v, wykorzystano równanie Wiencka [] i znajomość udziału grafitu w żeliwie f g. v N N = () fg. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH I ICH DYSKUSJA Wyniki badań doświadczalnych aproksymują następujące równania Gęstość kulek grafitu, (współczynnik korelacji R = 0,97) N = 45+ 4,75 exp(0,6 x) () Gradient gęstości kulek grafitu G = dn / dx 0,6 x,7e () N = Udział ferrytu (współczynnik korelacji R = 0,98) Gradient udziału ferrytu ff = 4,78,89 x + 0,9 x 0,0 x G f f = df / dx = 0,58 x 0,0 x f,89 Udział eutektyki cementytowej (współczynnik korelacji R = 0,94) f c =,08x 4, (6) Gradient udziału eutektyki cementytowej G = df / dx,08 (7) f c c = Z badań doświadczalych wynika, że istnieje krytyczna odległość w odlewie x cr =6, cm, przy której następuje przejście od krystalizacji żeliwa szarego do połowicznego. W obszarze żeliwa szarego, gęstość kulek N się powiększa, a udział ferrytu f f maleje, wraz ze wzrostem odległości x. W obszarze żeliwa połowicznego, zwiększanie odległośći x, oznacza zwiększanie się udziału eutektyki cementytowej. We wszystkich przypadkach w miarę powiększania odległości x, zwiększają się również gradienty strukturalne., i G.Można wykazać [4], że temperaturę ciekłego metalu T G N G ff f c wewnątrz strugi, określa następujące równanie 4 a Z x Z T i = Tp exp (8) π c s u u gdzie: a - współczynnik akumulacji ciepła formy, c - ciepło właściwe matalu, u - prędkość przepływu metalu. Z równania (8) wynika, że największy spadek temperatury T i występuje w metalu na czole strugi. Dlatego też czas odprowadzania ciepła przegrzania z czoła strugi jest (4) (5) i 40

3 najkrótszy, i krystalizuje ono w pierwszej kolejności, powodując zatrzymanie się strugi na odległości Z. Krzywe stygnięcia żeliwa w kilku punktach x Z pokazuje schemat na rys. Odpowiadające tym punktom krzywe stygnięcia żeliwa, wykazują coraz wyższą temperaturę przemiany eutektycznej T m, w miarę zmniejszania się odległości x. u Z Czoło strugi Temperature T p T i Wnęka formy T s T m, T m, T m, Tsc T c x x Rys.. Zmiana temperatury w ciekłym żeliwie oraz krzywe stygnięcia żeliwa Fig.. Temperature changes in liquid cast iron and cooling curves x x Gęstość kulek grafitu N v i minimalną temperaturę T m krystalizacji eutektyki grafitowej, określają równania [4] Ns N = (9) exp ProductLog y gdzie: T m [ ( )] b = Ts (0) Pr oductlog[y] Ti Ti 0,4 0,9 ln ln L b c + T c Tc y = 4 a T c, L e, D,β, N s, b - są zdefiniowane w tablicy. e N / s s 5 π D T c / 4 β Punkty na rys.a pokazują wyniki badań doświadczalnych, zaś linia ciągła wyniki obliczeń, zgodnie z równaniem (9). Warto zauważyć dość dobrą zbieżność wyników. () 4

4 Po podstawieniu równania (8) do () a następnie do (9) i uwzględnieniu rów (), można go zróżniczkować względm x, i otrzymuje się gradient gęstości kulek grafitu G N = dn / dx wzdłuż długości próbki x. Wyrażenie na GN jest bardzo skomplikowane i dlatego wykorzystując dane z tablicy, podano tylko wyniki numeryczne (krzywa na rys. b). Dla porównania, na tym samym rysunku (krzywa ) pokazano również gradient G N, wyznaczony na podstawie danych doświadczalych (rów. ()). Z rysunku wynika, że gradient kulek grafitu G N, osiąga największe wartości na odległści xcr, przy której rozpoczyna się strefa żeliwa połowicznego. Tablica. Dane termofizyczne Table. Thermophysical data Parametr Wartość i jednostka Wspólczynnik akumulacji ciepła materiału formy a = 0,09-0,; J/(cm s / o C) Równowagowa temepratura eutektyki grafitowej T s = 5,9+5,5 Si; o C Temperatura krystalizacjieutektyki cementytowej T c = 0 +4,(C-, Si); o C Ciepło krystalizacji eutektyki grafitowej L e = 08,8; J/cm Wspólczynnik dyfuzji węgla w austenicie D =,9 x 0-6 ; cm /s Ciepło właściwe żeliwa c = 5,95; J/(cm o C) Współczynnik rozpuszczalności w układzie Fe-C-X β = 0,0055; o C Nucleation coefficients of graphite N s = 6,8 0 0 ; cm - b = 85,4; o C szare a) zabielenia szare b) zabielenia N, m m x cr x, cm GN, m m - c m x, cm x cr Rys.. Wpływ odległości x na nodule count, punkty dane doświadczalne (a) i gradient N F, krzywa - wartości teoretyczne, krzywa - wartości doświadczalne (b) Fig.. Influence of dystance x on nodule count N F, points experimental data (a) and gradient of N F, curve - values theoretical, curve - experimental values (b) 4

5 Wiadomo, że przy T m = T c, rozpoczyna się krystalizacja eutektyki cementytowej. Uwzględniając ten warunek oraz równania (), (8), (0) i (), można obliczyć krytyczną odległość x cr, przy której pojawiają się zabielenia w odlewie gdzie s T Z s T x = 0,44 c u A ln c 4 a + c ln c cr A () a Tp u Tp A = 0, 0,54 / 0,8 a Tc 0,7 + CT / c Le s β () CT skłonność żeliwa do zabieleń CT / 6 b = exp 4 Ns β D Tsc Tsc (4)lub znając krytyczną gęstośc kulek grafitu N v,cr przy temperaturze T c CT = N v, cr β D T 4 sc / 6 (5) Skłonność żeliwa do zabieleń, obliczona zgodnie z równaniem (4) dla danych z tablicy, wynosi CT = 0,4 s / / o C /, a krytyczna długość próbki x cr = 6,08 cm (rów. ()- (4)). Z doświadczenia wynika, że przy gęstości kulek grafitu N = 966 mm -, (N v = 6675 mm - ), zaczynają się pojawiać w próbce zabielenia. W związku z tym można przyjąć N v = N v,cr i zgodnie z rów. (5) dla danych z tablicy, otrzymuje się CT = 0, s / / o C /, co po wykorzystaniu rów. (), () i (5)), pozwala obliczyć x cr = 6,4 cm. Warto zauważyć, że obie obliczone wartości x cr, są zbliżone do wyniku doświadczanego x cr = 6, cm. x c r, c m szare zabielone CT, s o C - Rys.. Wpływ skłonności żeliwa do zabieleń CT na krytyczną długość x cr odlewu Fig.. Influence of chilling tendency on critical distanece x cr 4

6 W praktyce odlewniczej, skłonność żeliwa do zabieleń najsilniej zwiększa zabieg modyfikacjima oraz powiększanie współczynnika nasycenia eutektycznego. Na rysunku pokazano wpływ skłonności żeliwa do zabieleń CT na krytyczną długość próbki x cr, przy której pojawiają się zabielenia, lub inaczej - eutektyka cementytowa. Z rysunku wynika, że w odlewie płytki o grubości s = 0,5 cm, żeliwo będzie szare, gdy jego CT = 0, s / / o C / zaś połowiczne, gdy CT = 0,47 s / / o C /. WNIOSKI. Wykazano, że pomimo stałej grubości ścianki s w odlewach super cieńkościennych, występują duże gradienty: gestości kulek grafitu, ferrytu i cementytu.. Wyniki badań doświadczalnych są dość dobrze zgodne z wynikami obliczeń teoretycznych. LITERATURA [] M. Koizumi, Recent Progress of Functionaly Gradient Materials in Japan, Ceramic Engineering and Science Proceedings,99, vol.4, p.. [] D.M.Stefanescu, R. Ruxanda, L.P. Dix, The metallurgy and tensile mechanical properties of thin wall spheroidal graphite irons, Int. J. Cast Metals Research, 004, vol.7, p.759. [] K. Wiencek, J.Ryś, The estimation of Fe C particle density in steel by simple counting measurements made in plan sections, Materialas Engineering, 998, No., p.96. [4] E Fraś, M. Górny, H. F. López.: Eutectic Transformation in Ductile Cast Iron Part I-Theoretical Bacground, Metallurgy and Foundry Engineering, 005, vol., Nr., p.. GRADIENT STRUCTURE OF DUCTILE IRON SUMMARY Researches using super thin-walled castings made of ductile iron were made. Structure and gradients of density of graphite nodules, ferrite and cementite eutectic fraction were determined. It has been presented theoretical basis of temperature drop in castings and its relationship with the formation of gradients in structure. Results of theoretical computations were experimentally werified and also the absolute value of chilling tendency was calculated. Praca wykonana w ramach grantu PBZ/KBN-00TO Recenzował: Prof. Edward Guzik 44