WYZNACZANIE CIEPŁA KRYSTALIZACJI FAZ W ŻELIWIE EN-GJS NA PODSTAWIE METODY ATD

Transkrypt

1 56/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN WYZNACZANIE CIEPŁA KRYSTALIZACJI FAZ W ŻELIWIE EN-GJS NA PODSTAWIE METODY ATD B. PISAREK 1 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki obliczeń ciepła przemian: ciecz (ciekłe żeliwo)eutektyka (austenit+grafit), austenitferryt, perlit dla żeliwa ferrytyczno - perlitycznego gatunku EN-GJS krzepnącego w próbniku ATD-S z wykorzystaniem dwupunktowego pomiaru temperatury podczas krystalizacji żeliwa. Key words: ductile cast iron, thermal and derivative analysis, crystallization, latent heat of crystallization 1. WSTĘP Metoda analizy termicznej i derywacyjnej szeroko wykorzystywana jest do ko n- troli i sterowania jakością stopów, w tym również żeliwa sferoidalnego [14]. Stanowi ona obecnie jedyną, kompleksową metodę oceny żeliwa sferoidalnego przed odlaniem go do form. W celu ilościowej oceny przebiegu procesu krystalizacji - wyznaczenie ciepła krystalizacji faz - stosuje się szereg metod numerycznych [510]. Poniżej przedstawiono uzupełnienie metody ATD związane z wyznaczaniem ciepła krystalizacji faz tworzących mikrostrukturę żeliwa sferoidalnego metodą dwupunktowego pomiaru temperatury w próbniku ATD-S. 1 dr inż., bpisarek@mail.p.lodz.pl

2 METODYKA BADAŃ 2.1. Analiza termiczna i derywacyjna Analizę termiczną i derywacyjną przeprowadzono dla żeliwa ferrytyczno - perlitycznego gatunku EN-GJS wytopionego w Odlewni Koluszki z zastosowaniem metody sferoidyzacji żeliwa zaprawą magnezowo-krzemową (15% Mg) wprowadzaną na dno kadzi. Do przeprowadzenia badań wykorzystano próbnik ATD-S wykonany z masy formierskiej syntetycznej wilgotnej, którego kształt i rozmieszczenie termoelementów Pt-PtRh10 przedstawiono schematycznie na rysunku 1. Pomiary zrealizowano na Crystaldigraph ie PC-4T2L produkcji PPUH Z-TECH w Gliwicach. Rys. 1. Próbnik ATD-S przeznaczony do badania żeliwa sferoidalnego: 1 zbiornik przelewowy, 2 przelew, 3 część pomiarowa, 4 termoelement (1), 5 termoelement (2), 6 - forma Fig. 1. TDA-S probe for ductile cast iron research: 1 flow-off tank, 2 flow-off, 3 measuring part, 4 thermocouple (1), 5 thermocouple (2), 6 - mould 2.2. Analiza procentowego powierzchniowego udziału faz Z wykonanych próbek wycięto krążki o grubości 10 mm w pobliżu termoelementu 1 (rys. 1) i wykonano na ich powierzchni czołowej oraz prostopadle do niej zgłady metalograficzne, celem określenia mikrostruktury żeliwa. Analizę mikrostruktury żeliwa przeprowadzono na stanowisku mikrokomputerowej analizy obrazu (mikroskop optyczny EDUKO MM-348, oprogramowanie MultiScanBase v.11.06). Stanowisko to umożliwia wyznaczenie procentowego udziału powierzchniowego: grafitu (próbka nietrawiona), ferrytu (próbka trawiona Mi1Fe), perlitu. Wyniki obliczeń zapisywane były w pamięci komputera. Dla każdej próbki wykonano 10 analiz na powierzchniach leżących na dwóch prostopadłych przekątnych powierzc h- ni zgładu.

3 Analiza różniczkowa dla warunków eksperymentu Przy założeniu wymiany ciepła na powierzchni próbki zgodnie z warunkiem brzegowym III rodzaju oraz pominięciu ciepła przemiany fazowej i gradientu temperatury, równanie przewodzenia ciepła ma następującą postać: dt V c ( t tot ) S, W (1) d gdzie: V, S objętość i powierzchnia stygnięcia próbnika, m 3 i m 2, c, ciepło właściwe i gęstość materiału próbki, J kg -1 K -1 i kg m -3, dt szybkość zmian temperatury, Cs -1, d współczynnik wymiany ciepła na powierzchni próbki, W m -2 K -1, t temperatura próbki, C, t ot temperatura otoczenia, C. Równanie (1) po przekształceniu przyjmuje postać: dt d, (2) t tot M c gdzie: V M, m (sprowadzona grubość ścianki próbki). S Po scałkowaniu równania (2), uwzględnieniu warunku początkowego dla =0 i t=t 0, C=ln(t 0 -t ot ) i zróżniczkowaniu po czasie otrzymuje się równanie krzywej zerowej dt Z 0 : d 0 dt d 0 M c t 0 tot exp M c Równanie (3) można zapisać w następującej postaci:, K s -1. (3) Z0 Aexp B, K s -1, (4) gdzie: A t0 M c t ot, K s -1, (5)

4 423 B M c, s -1. (6) W przypadku uaktywnienia się wewnętrznego źródła ciepła q f [W/kg] - występowanie ciepła przemiany fazowej równanie przewodzenia ciepła przyjmuje postać: a po przekształceniu: dt V c q f V t tot S, W, (7) d dt q f d c t t M c ot, K s -1. (8) Z powyższego równania stosując podstawienie (5) otrzymuje się: dt q f c A, K s -1. (9) d Całkując q f po czasie od momentu rozpoczęcia przemiany p do jej zakończenia k wyznacza się ciepło przemiany L: L k p q d, J kg -1. (10) f Dane do symulacji krzywej zerowej przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Dane termofizyczne i początkowe przyjęte w symulacji [7,10] Table 1. Thermal and initial accept data in simulation [7,10] Lp. Nazwa Oznaczenie Uwagi Wartość Jednostki Ciepło żeliwo w stanie ciekłym c J właściwe żeliwo w stanie stałym 754 kg -1 K-1 2. Gęstość 3. Sprowadzona grubość ścianki próbki żeliwo w stanie ciekłym żeliwo w stanie stałym kg m -3 M - 5, m

5 WYNIKI BADAŃ Mikrostrukturę oraz krzywe analizy termicznej i derywacyjnej żeliwa ferrytyczno - perlitycznego gatunku EN-GJS zawierającego: 3,59% C, 3,05% Si, 0,46% Mn, 0,52% P i 0,029% S przedstawiono na rysunku 2. Charakterystyczne efekty cieplne i zjawiska oznaczono na krzywych ATD następującymi: P k -D-E-F-G-H krystalizacja eutektyki +G (austenit+grafit), H-I-K-M spadek przewodnictwa cieplnego w wyniku występowania grafitu sferoidalnego, N-O-N -O przemiana austenitferryt, N -O -P przemiana austenitperlit. Na krzywej d 2 t/d 2 wyznaczono charakterystyczne punkty umożliwiające jednoznaczne określenie punktów na krzywej derywacyjnej początku następujących procesów cieplnych: P k krystalizacji eutektyki, G krystalizacji ostatnich porcji ciekłego żeliwa, N przemiany ferrytycznej, N przemiany perlitycznej, oraz charakterystyczną dla stopu temperaturę przemiany ferrytycznej to. Na osi temperatury punkty wyznaczają charakterystyczne dla stopu temperatury: tdef temperatura krystalizacji eutektyki, to temperatura przemiany ferrytycznej, to temperatura przemiany perlitycznej. Na osi czasu punkty wyznaczają odpowiednio czas rozpoczęcia i zakończenia: P k, H krystalizacji eutektyki, N, O przemiany austenitferryt, N, P przemiany austenitperlit. Na podstawie badań na stanowisku mikrokomputerowej analizy obrazu określono udział poszczególnych faz w mikrostrukturze żeliwa: grafit 21%, ferryt 49%, perlit 30%. Ponieważ przemianie uległo 100% austenitu stąd wynika odpowiednio, że 62% austen i- tu uległo przemianie ferrytycznej, a 38% przemianie perlitycznej. Dla potrzeb obliczeń numerycznych przyjęto następującą postać funkcji F vl opisującej wyczerpanie ciekłego żeliwa w procesie krystalizacji eutektycznej: F vl A1 t 1 exp A t A (11) 2 3

6 425 gdzie: t temperatura w środku próbnika, A 1 A 3 parametry określane z krzywych ATD. Natomiast wyczerpywanie się austenitu podczas przemiany ferrytycznej i perlitycznej opisano funkcją F vf-p w postaci: F vfp 1 exp A t u A t u f p A t A 1 expa t A (12) gdzie: t u f, u p A 4 A 9 temperatura w środku próbnika, ilość austenitu ulegającego przemianie odpowiednio ferrytycznej i perlitycznej, parametry określane z krzywych ATD. Na rysunku 3 (a,b) przedstawiono odpowiednio funkcję F vl (a) i F vf-p (b). Zmianę temperatury przy powierzchni odlewu opisano temperaturą t b. Na rysunkach 4 (a,b) oraz 5 przedstawiono dla żeliwa EN-GJS odpowiednio: krzywe t=f(), t b =f b (), dt/d=f (), (dt/d) 0 =f 0 () (rys. 4.) oraz wykres funkcji ciepła krystalizacji q f (rys. 5.). Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wyznaczono ciepło przemian: ciecz eutektyka grafitowa 93, J kg -1, austenit ferryt 28, J kg -1, austenit perlit 25, J kg -1. Wyznaczone ciepło krystalizacji eutektyki grafitowej (austenit+grafit sferoidalny) jest niższe od danych literaturowych [10] dla eutektyki z grafitem płatkowym ( J kg -1 ), prawdopodobnie spowodowane jest to opóźnieniem w nagrzewaniu się termopary (2) t b =f b () przy brzegu próbki w stosunku do termoelementu (1) t=f() (rys. 3.). Wyznaczone w symulacji ciepło przemiany austenitferryt ma wartość zbliżoną do danych literaturowych (20, J kg -1 [10]), natomiast dla przemiany austenitperlit uzyskano około 3,5 razy mniejszą wartość ciepła przemiany (89, J kg -1 [10]). Różnice w wartościach ciepła poszczególnych przemian w stosunku do danych literaturowych mogą być spowodowane różnicami w składzie chemicznym badanego żeliwa.

7 d t/d, C/s 2 t, C dt/d, C/s 426 a) b) c) DEF H O' P' I K M dt/d =f '( ) d t/d =f "( ) t=f( ) Pk G N O N' , s Rys. 2. Mikrostruktura (a,b pow. x100) i krzywe ATD (c) żeliwa EN-GJS Fig. 2. Microstructure (a,b magnif. x100) and TDA curves (c) of ductile cast iron EN-GJS

8 t, C dt/d, C/s 427 a) b) F vl th tpk F vf-p tp' tn' tn t, C t, C Rys. 3. Funkcje wyczerpywania faz podczas przemian: a) F vl ciecz eutektyka, F vf-p austenit ferryt, austenit - perlit Fig. 3. Functions of phase exhaust during transformations: b) F vl liquid eutectic, F vf-p austenite ferrite, austenite pearlite DEF H O' P' dt/d =f '( ) (dt/d ) =f '( ) t =f ( ) b b t=f( ) Pk G N O N' , s Rys. 4. Krzywe: t=f(), t b =f b (), dt/d=f (), (dt/d) 0 =f 0 () dla żeliwa EN-GJS Fig. 4. Curves: t=f(), t b =f b (), dt/d=f (), (dt/d) 0 =f 0 () for ductile cast iron EN-GJS-500-7

9 qf, W/kg DEF eutektyka G Pk O N'O' austenit -> ferryt austenit -> perlit 200 H N P' 0 4. WNIOSKI , s Rys. 5. Wykres funkcji ciepła krystalizacji żeliwa EN-GJS Fig. 5. Latent heat of crystallization diagram of ductile cast iron EN-GJS Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski: - zastosowanie metody ATD z dwupunktowym pomiarem temperatury w próbniku ATD-S pozwala wyznaczyć niezbędne parametry dla symulacji procesów cieplnych zachodzących podczas krystalizacji żeliwa sferoidalnego, - mikrokomputerowa analiza obrazu mikrostruktury umożliwia dokładne określenie udziału procentowego poszczególnych faz, - zastosowanie tego rodzaju pomiaru umożliwia określenie ciepła przemian fazowych austenitu. LITERATURA [1] S. Jura i inni: Zastosowanie metody ATD do oceny jakości żeliwa sferoidalnego, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (1/2), s. 93, (2001). [2] S. Jura, Z. Jura: Wpływ składu chemicznego i stopnia sferoidyzacji grafitu na własności mechaniczne żeliwa, Archiwum Odlewnictwa, nr 1 (2/2), s. 167, (2001).

10 429 [3] S. Pietrowski, G. Gumienny: Metodyka przygotowania oceny jakości żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, nr 6 (2/2), s. 249, (2002). [4] S. Pietrowski, G. Gumienny: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego ferrytycznego, Archiwum Odlewnictwa, nr 8, s. 253, (2003). [5] W. Longa: Krzepnięcie odlewów, Wydawnictwo Śląsk, Katowice, (1985). [6] E. Fraś: Krystalizacja metali i stopów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, (1992). [7] B. Mochnacki, J.S. Suchy: Modelowanie i symulacja krzepnięcia odlewów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, (1993). [8] Z. Jura: Ciepło spektralne krystalizacji żeliwa szarego, Krzepnięcie metali i stopów, nr 40, s. 153, (1999). [9] B. Pisarek: Model analityczno-numeryczny krystalizacji pierwotnej i wtórnej żeliwa wermikularnego o mikrostrukturze ferrytyczno-perlitycznej,, Krzepnięcie metali i stopów, nr 44, s. 293, (2000). [10] W. Kapturkiewicz: Modelowanie krystalizacji odlewów żeliwnych, Seria Monografie nr 2/2003, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków, (2003). APPOINTMENT OF LATENT HEAT OF PHASE CRYSTALLIZATION FOR DUCTILE CAST IRON EN-GIS ON BASE OF TDA METHOD SUMMARY It present results of accounts in paper of latent heat of phase crystallization for ferrite pearlite ductile cast iron EN-GJS It take advantage Thermal Derivative Analysis with two-punctual measurement of temperature in TDA-S probe. Indicated: functions of exhaustion phases, latent heat of transformations of liquideutectic (austenite+graphite), austeniteferrite, pearlite. Recenzował Prof. Andrzej Jopkiewicz