ANALIZA TERMODYNAMICZNA STOPÓW ODLEWNICZYCH PRZY UŻYCIU PROGRAMU THERMOCALC

Transkrypt

1 171/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznk 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowce PL ISSN ANALIZA TERMODYNAMICZNA STOPÓW ODLEWNICZYCH PRZY UŻYCIU PROGRAMU THERMOCALC A. ZYSKA 1, Z. KONOPKA 2, M.ŁĄGIEWKA 3, Katedra Odlewnctwa Poltechnk Częstochowskej, al. Arm Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE Przedstawono praktyczne wykorzystane paketu programów do oblczeń termodynamcznych ThermoCalc na przykładowych stopach odlewnczych. Wynk metodę wyznaczana równowagowego składu fazowego stopów weloskładnkowych zaprezentowano na żelwe sferodalnym o składze 3,2%C, 3%S, 0,3%Mn, 0.1%P, 0,05%Mg. Możlwość wykonywana symulacj krzepnęca nerównowagowego (model Schel a) zademonstrowano na przykładze stopu alumnum AlS6Cu4. Key words: thermodynamcs, phase dagrams, smulaton of soldfcaton. 1. WPROWADZENIE Koncepcja tworzena dagramów fazowych na podstawe metod oblczenowych (Calphad) została sformułowana przez van Laara już w roku 1908, natomast jej praktyczny rozwój przypada na lata 60. Obecne metoda Calphad zastąpła klasyczne sposoby konstruowana wykresów fazowych, poneważ pozwala na precyzyjne wyznaczene układów równowag w różnego typu materałach o złożonym składze chemcznym. Oblczane wykresów wymaga jednak bardzo dokładnych danych termochemcznych. Gromadzenem, przetwarzanem weryfkacją własnośc termodynamcznych oraz opracowywanem wykresów równowag stopów metal, żużl, materałów ceramcznych, stoponych sol roztworów wodnych zajmują sę duże konsorcja zrzeszające czołowe ośrodk naukowe. Śwatowy standardem stosowanym w komercyjnych pro- 1 dr nż., zyska@mm.pcz.czest.pl 2 dr hab. nż., konopka@mm.pcz.czest.pl 3 mgr nż., cs@mm.pcz.czest.pl 531

2 gramach do oblczeń termodynamcznych są bazy opracowane przez europejske konsorcjum SGTE (Scentfc Group Thermodata Europe). Koncepcja Calphadu oparta jest na metodze mnmalzacj entalp swobodnej układu. Całkowta entalpa swobodna układu jest sumą entalp czystych składnków skondensowanych oraz entalp tworzena roztworu [1]: s k 0 0 n g = n µ + n = = µ + RT ln k + RT lnγ (1) 1 1 n = 1 gdze: R - stała gazowa, γ - współczynnk aktywnośc -tego składnka roztworu ndeksy: s - lość składnków skondensowanych, k - lość składnków w roztworze W warunkach określonej temperatury cśnena (T, p = const), procesy zachodzące w danym układze weloskładnkowym samorzutne dążą do osągnęca stanu równowag, a węc do osągnęca mnmum energ swobodnej. W celu określena równowagowego składu roztworu należy zsumować energe swobodnej poszczególnych faz układu, wyznaczyć mnmum tej sumy, a z nej oblczyć stężene poszczególnych reagentów [3]. Matematyczna formuła rozwązana tego problemu sprowadza sę do znalezena takego zestawu lczb mol n reagentów, który mnmalzuje funkcję celu, będącą formalnym zapsem entalp swobodnej układu: g = n µ = mn (2) przy nałożonych węzach na układ wynkających z blansu masy układu: A n = B j = 1, 2,..., M (3) j j wyelmnowanu ujemnych rozwązań: n 0 = 1, 2,..., N (4) gdze: A j - lczba atomów perwastka j w faze, B j - sumaryczna lczba mol perwastka j. Grafczną prezentacją wynków oblczeń mnmum energ swobodnej układu w szerokm zakrese temperatury stężeń przy uwzględnenu koordynat granc mędzyfazowych jest wykres równowag. Celem nnejszego artykułu jest przedstawene praktycznego wykorzystana paketu programów do oblczeń termodynamcznych ThermoCalc [2] na przykładze wybranych stopów odlewnczych. 532

3 1. OBLICZANIE RÓWNOWAGI W MODULE POLY_3 Podstawowym programem paketu ThermoCalc jest moduł oblczenowy POL_3 wykorzystujący, dla najpopularnejszych stopów metal, bazę danych termodynamcznych SSOL. Do opsu roztworów metalcznych stosowany jest model roztworów regularnych subregularnych przy uwzględnenu aproksymacj Redlcha-Kstera-Mugluena. W algorytme oblczeń jako dane wejścowe należy wprowadzć: parametry procesu (T, p), początkowy skład chemczny stopu oraz lstę wszystkch faz mogących wystąpć w roztworze. W efekce oblczeń wyznaczany jest skład fazowy stopu, udzał wagowy poszczególnych faz oraz ch skład chemczny. Przykładowe wynk oblczeń dla żelwa sferodalnego ferrytycznego o składze 3,2% C, 3% S, 0,3% Mn, 0.1% P, 0,05% Mg przedstawono na rys. 1 2 oraz w tabel 1. a) b) Rys. 1. Wykresy fazowe żelwa sferodalnego ferrytycznego o składze 3,2%C, 3%S, 0,3%Mn, 0.1%P, 0,05%Mg: a) w zakrese temperatur C, b) w zakrese temperatur C Fg. 1. Phase dagrams of nodular ferrtc cast ron: 3.2%C, 3%S, 0.3%Mn, 0.1%P, 0.05%Mg: a) over the temperature range C, b) over the temperature range C Tabela 1. Skład fazowy żelwa 3,2% C, 3% S, 0,3% Mn, 0.1% P, 0,05% Mg Table 1. Phase composton of cast ron contanng 3.2%C, 3%S, 0.3%Mn, 0.1%P, 0.05%Mg Faza Skład chemczny % Udzał wagowy % Fe S C Mn P Mg FCC_A1 feryt 96,8 3, ,6 95,85 Graft ,17 Fe3P1 84, ,6-0,64 M7C3 - węglk 1,8-8,6 89, ,34 Rysunek 1 przedstawa przekrój ponowy wykresu równowag układu Fe-C-S-Mn-P- Mg dla stałej zawartośc S, P, Mn oraz Mg. Oddzaływane głównego perwastka stopowego S, na układ Fe-C ujawna sę poprzez zmany w położenu charakterystycz- 533

4 nych ln przeman fazowych oraz ln określających rozpuszczalność węgla w austence ferryce. a) b) Rys. 2. Żelwo sferodalnego ferrytycznego (3,2% C, 3% S, 0,3% Mn, 0.1% P, 0,05% Mg): a) równowagowa krzywa krzepnęca, b) spektralne cepło krzepnęca Fg. 2. Nodular ferrtc cast ron (3.2%C, 3%S, 0.3%Mn, 0.1%P, 0.05%Mg): a) equlbrum soldfcaton curve, b) spectral heat of soldfcaton Dla odlewnka szczególne stotne są nformacje dotyczące procesu krzepnęca żelwa. Na podstawe oblczeń równowagowych można stwerdzć, że: temperatura początku krzepnęca analzowanego żelwa wynos C, z fazy cekłej jako perwsze wydzelają sę kryształy austentu w lośc 11% wag., eutektyka graftowa krzepne w zakrese temperatur C, maksymalna rozpuszczalność węgla w austence osąga wartość 1,46%. Równowagowy przebeg krzepnęca zlustrowano na rys. 2a. ThermoCalc dostarcza równeż cennych danych termofzycznych szczególne C p H (cepło właścwe entalpa), które mogą być wykorzystywane przy oblczanu knetyk krzepnęca stygnęca odlewu. Przykładowy wykres 2b lustruje zmanę pojemnośc ceplnej żelwa w funkcj temperatury. 3. SYMULACJA KRZEPNIĘCIA NIERÓNOWAGOWEGO Drugm praktycznym program paketu Thermocalc, z punktu odlewnczego, jest moduł do symulacj krzepnęca nerównowagowego oparty na modelu Shel a. Symulacja wykonywana jest przy założenach braku gradentu stężena składnka w ceczy braku dyfuzj w stane stałym. Podczas krystalzacj ne zachodz ujednorodnene składu chemcznego, w wynku czego otrzymuje sę różne stężene składnka w każdym punkce fazy stałej. W rozwązanu modelowym przyjmuje sę założene, że lość składnka odrzuconego przez fazę stałą jest równa zwększenu sę lośc tego składnka w faze cekłej. Wynk symulacj przeprowadzone w module SHEIL oraz dla porównana rzeczywstą krzywą stygnęca krzepnęca (ATD) komercyjnego stopu alumnum AlS6Cu4 (6.7% S, 4.4% Cu, 0.3% Mg, 0.2% Fe) zaprezentowano na rys

5 Rys. 3. Krzywa stygnęca krzepnęca stopu AlS6Cu4 Fg. 3. Coolng and soldfcaton curve for AlS6Cu4 alloy Pkt Temp. 0 C Skład fazowy krzepnącego stopu 1 powyej 607 cecz cecz + α(al) cecz + α(al) + S cecz + α(al) + S+Al 13 Fe cecz + α(al) + S+Al 13 Fe 4 +Mg 2 S cecz + α(al) + S+Al 13 Fe 4 +Mg 2 S + Al 2 Cu Rys. 4. Wynk symulacj krzepnęca nerównowagowego stopu AlS6Cu4 Fg. 4. Results of smulaton for the non-equlbrum soldfcaton of AlS6Cu4 alloy 535

6 Analzując rys. 3 4 należy stwerdzć bardzo dużą zgodność symulacj z wynkam eksperymentalnym. Temperatury krystalzacj poszczególnych faz stopu na krzywej rzeczywstej są jedyne neco nższe od otrzymanych w wynku symulacj, ale jest to spowodowane tym, że model Schel a ne uwzględna efektów przechłodzenowych. W stope tym występują podwójna eutektyka krzemowa, potrójna eutektyka z Mg 2 S oraz poczwórna z fazą Al 2 Cu. Interpretacja poszczególnych przeman fazowych na krzywych ATD za pomocą układów równowag jest dość trudna często obarczona błędam, poneważ ne uwzględna segregacj składnków stopowych, która występuje w rzeczywstych warunkach krzepnęca. Natomast, symulacja przeprowadzona w module Schel a pozwala na prognozowane składu fazowego stopu w funkcj temperatury przy maksymalnym odchylenu od stanu równowag. 4. PODSUMOWANIE Zaprezentowane programy oblczenowe paketu ThermoCalc pozwalają na szybką precyzyjną analzę procesu krystalzacj stopów o złożonym składze chemcznym. Iloścowa jakoścowa ocena składu fazowego stopu może być wykonywana dla warunków równowagowych nerównowagowych. Na podstawe metod Calphad można wyznaczać temperatury przeman fazowych, skład fazowy stopu, udzału wagowy poszczególnych składnków ch skład chemczny oraz szereg nnych danych, które ne zostały opsane w nnejszym artykule. Paket programów do oblczeń termodynamcznych ThermoCalc jest cennym źródłem nformacj zarówno dla celów praktycznych jak równeż prac badawczych. LITERATURA [1] J. Szarawara, Termodynamka chemczna stosowana, WNT, [2] ThermoCalc wersja M - lcencja nr A [3] L. Zabdyr, Stratega Calphadu, Teora Inżynera Procesów Metalurgcznych, Kraków 2003 THERMODYNAMIC ANALYSIS OF CAST ALLOYS BY MEANS OF THE THERMOCALC PROGRAM SUMMARY A practcal applcaton of the ThermoCalc program packet for thermodynamc calculatons of cast alloys has been presented. The results and the method of determnng the equlbrum phase composton of mult-component alloys has been presented for the exemplary type of nodular cast ron contanng 3.2%C, 3%S, 0.3%Mn, 0.1%P, 0.05%Mg. The possblty of performng the smulaton of a non-equlbrum soldfcaton (Schel model) has been shown takng as an example the AlS6Cu7 alumnum alloy. Recenzował: Prof. Zygmunt Ntkewcz 536