22/10 Solidification ol' Metais and Allnys, No 22, 1995

Transkrypt

1 22/10 Solidification ol' Metais and Allnys, No 22, 1995 Krzepniecie Metali i Stop6w, Nr 22, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN ANALIZA WZROSTU ZORIENTOWANEJ EUTEKTYKJ GRAFITOWEJ W ŻELIWIE GUZfK Edward WydziaJ Odlewnictwa Akademii Gómiczo- Hutniczej Kraków, Reymonta 23, POLAND STRESZCZEN[E W pracy przedstawtono wyniki badań kierunkowej krysta lizacji stopu fe-c. Wykor zys tując zbudowane urządzenie do kierunkowej kiystalizacji typu Bridgmana, ustalono z wtązek międ zy parametrem geometrycznym eutek--tyki A (odległość międ zyplytkowa), a prędkościąjej wzrostu v. W miarę zwiększania prędkości wzrostu v (8,33 10-'"' 1, ' cm/s), obserwuje s ię zmniejszenie wartości parametru A (1\,=5,09 1 o-' 1 0 \ Stosując technik ę zamraża nia próbek, odtworzono kształt n ontu krystalizacji eutektyki oraz pokazano wyraźnie wyprzedzeme płytki grafitu (faza ścianowa) względem austenitu y (faza nieścianowa). l.wprowadzenie Proces krystalizacji eutektyki grafitowej ustala zasadniczo st rukturę, a przez to właściwości użytkowe że liwa będącego podstawowym tworzywem w pr zemyśle budowy różnych maszyn i urządzeń. Poznanie mechanizmu krystalizacji tej eutektyki, przy jej różnorodności mórfologicznej, chemtcznej i fazowej, umożliwia w sposób. świadomy sterowanie tym procesem w celu uzyskania optymalnej struktu ry stopu. Eutektyka y(fe) - grafit występująca w stopach Fe-C zaliczana jest do typu śc ianowo - nieśc ianowej (z ang. faceted - nonfaceted), a opierając się na geometrii faz, do eutektyki typu nieregularnej (anormalnej). Stwierdzono, że eutektyki nieregularne (ścianowo - nieścianowe) wzrastają przy vyiększym przechłodzeniu w porównaniu do eutektyki regularnej ( nieścianowo nieścianowej) 1 charak--teryzują się większą odległością międzypłytkową Ą (Ą - grubość dwóch faz eutektycznych). Wynika z tego, iż modelowanie struktury eutek--tyki nieregularnej w żeliwie napotyka pewne trudności związane z krystalizacją dwóch odmiennych faz. Kinetyka wzrostu fazy ścianowej (płytki grafitu) zależy od defektów krystalograficznych, a powstające odgałęzienia wzrastają w swoich kierunkach krystalograficznych, które są niezgodne z kierunkiem przepływu ciepła. Zjawisko to ogranicza średn ią odległość międzypłytkową (X=""{A.I + A.2} 0,5), co pokazuje rys. l [1,2].

2 89 a) b) Ciecz /,, Rysunek l. Struktura eutektyki grafitowej (a) [3] oraz schemat frontu krystalizacji i struktury eutektyki nieregularnej (b) [l J Procesy zachodzące na pow1erzchni rozdziału ciecz - fazy eutektyczne, zwanej frontem k1ystalizacji, prowadzą do powstania Jednej z wspomnianych odmian eutektyki. O ile znane modele wzrostu eutektyki regularnej, w tym ogólnie znana teoria Tillera [ 4] i Jacksona, Hun ta [S] p ozwa lają z zado wa l a jącą dokładnością wyznaczyć odległo ść międ zypłytkową tej eutektyki z za leżno ści f... = ~K2 1 K, v 0 ' (l) gdzie K 1. K, - stałe materialowe stopu, v- prędko ść wzrostu eutektyki, to modelowanie wzrostu eutektyki nieregularnej, do której zaliczarny eutektykę grafitową jest nieco trudniejsze WystępuJe tu bowiem zjawisko rozgałęziania się płytki grafitu w czasie, kiedy os iąga się maksymalną wa11ość parametru /...2 (patrz rys. l), zaś średnie wartości od l egł oś ci międzypłytkowej /... tej eutektyki są znacznie mniejsze od wartości uzyskiwanych w eutektyce regularnej, np. Al - Cu czy Al - Ni. W analizie ksztahowania struktury eutektyki nieregularnej, uwzględnia się niekiedy wpływ gradientu temperatury w cieczy na rroncie krystalizacji G [l], natomiast znany ogólnie zapis prawa wzrostu podany przez Magnina i Kurza [2] zawiera specjalny parametr korekcyjny et>; (2) Celem niniejszej pracy Jest poznanie struktury zorientowanej eutektyki grafitowej oraz jej ksztahu rrontu krystalizacji w zależności od prędkości wzrostu v, co pozwoli w większym stopniu rozwinąć teorię wzrostu tej eutektyki nieregularnej.

3 90 2. METODYKA BADAŃ Do weryfikacji modeli wzrostu eutektyki wykorzystuje się z powodzeniem technikę kierunkowej k.iystalizacp stopów, umożliwiającą prowadzenre procesu wzrostu w warunkach kontrolowanych, przy znajomości gradientu temperatury w cieczy na froncie krystalizacji.. 1 prędkości wzrostu eutektyki, utożsamianej - w pierwszym przybliżeniu z prędkością przemieszczania się frontu krystalizacji. Ponadto technika ta umożliwia dobre odwzorowanie kształtu frontu k.iystalizacji, co ma istotne znaczeme dla przyjęcia założeń w modelowaniu ró ż nych rodzaji eutektyk W celu zrealizowania założonego celu pracy, zbudowano specjalistyczne urządzenie do kierunkowej krystalizacji typu Bridgmana z pionowym gradientem temperatury. Metoda ta polega ogólnie ją definiując na roztopieniu całej masy metalu w formie, a następme ciągłym wysuwaniu formy z pieca do ośrodka chłodzącego. Szczegóły konstrukcyjne zbudowanego urządzenia oraz sposób przeprowadzenia kierunkowej krystalizacji zamieszczono w pracy [3]. Ogólnie, urządzenie do kierunkowej krystalizacji zawiera trzy główne zespoły; piec oporowy grzewczy, chłodnicę i mechanizm napędowy. Stop Fe - C do dalszych badań w urządzemu do kierunkowej krystalizacji, sporządzono z żelaza karbonylkowego i elektrod grafitowych. W piecu próżmowym firmy Balzers sporządzono stop zaw ierający 4,4 % węgla (skład nadeutektyczny), a po odgazowaniu go odlewano do specjalnych form, odtwarzających pręty, które następme po oszlifowamu stanowiły wsad do kierunkowej krystalizacji Sposób przeprowadzania kierunkowej krystalizacji był następujący Uzyskane pręty wsadowe stopu umieszczono w cienkich rurkach wykonanych z rek.iystalizowanego tlenku glinu, które z kolei połączono z prętem pociągowym pieca. Dolny koniec rurki i pręta wsadowego zanurzano w ciekłym stopie (temperatura topnienia - l5 "C) wypełniającym chłodnicę Po ustabilizowaniu zadanej temperatury w komorze roboczej p1eca T= 1450 oc (przy doprowadzeniu do wnętrza oczyszczonego argonu), uruchamiano mechanizm napędowy. P ręt pociągowy wraz z próbką, przem i eszczał się ze stałą zada ną prędkością. względem chł odnicy Stosowano prędkości przemieszczania próbki w zakresie 8,33 l o-j _,_ l, Ił l o-' cm/s. Gradient temperatury G w cieczy na froncie k.iystahzacji wynos1 195 K/cm Na okreś l onej dł ug ośc i zamrażano kierunkowo krystalizace próbk1, co umożliwiło utrwalenie kształtu frontu krystalizacji eutektyki grafitowej w za leżności od parametru wzrostu eutektyki v W zorientowanej części próbki dokonano pomiarów parametm geometrycznego A ukierunkowanej eutektyki y(fe) + grafit Średnią odleglość międzypłytkową A wyznaczono jako stosunek długoś ci linii pomiarowych (równolegle ułożonych do frontu krystalizacji), do liczby przecięć tych linii przez wydzielenia grafitu Metodę tą dla ukiemnkowanych eutektyk zalecano w pracy [6). 3. WYNIKI BADAŃ I l CH ANALIZA Badania metalograficzne stopu wyjśc io wego do kiemnkowej k.iystalizacji odlanego do formy odlewniczej wykazały, iż stop nadeutektyczny Fe- C krystalizuje w układzie metastabilnym, bowiem w strukturze obserwuje się wydzielenia eutektyki cementytowej (y+fe3c) oraz przed-

4 91 a) b) c) d) Rysunek Z. Struktura i kształt frontu krystalizacji eutektyki grafitower a)- stop wyjściowy do badań ~ b)- v = 8,33 l O -l cm /s~ c)- l, 11 l o- 1 cm/s~ a, d) - zgłady trawione nitalem. eutektycznego cementytu (rys. Za) W wyniku kierunkowej krystalizacji stopu Fe - C i przeprowadzonego zabiegu "zamrażania" krystalizujących próbek, uzyskano różnorodną s trukturę i różny kształt frontu krystalizacji, którą dla przykładu pokazano na rys. Z Dla danych warunków krystalizacji i stężenia węgla, stop krystalizuje w zakresie strefy s przężo n ego wzrostu eutektyki. Obserwacje zamrożonego kształtu frontu krystalizacji wykazują, że faza wiodąca grafit wyprzedza fazę nieścianową, tj. austenit. Dla próbek kry s talizujących z większą prędkością, front krystalizacji w skali makroskopowej przestaje być już płaski oraz obserwuje się efekt "narastania" (namrażania) austenitu na wiodącą płytkę grafitu, co nieco zniekształca jego rzeczywisty kształt. Wyniki analizy metalograficznej ilościowej, odległości międzypłytkowej w zorientowanej eutektyce f.., w zależności od prędkości wzrostu v pokazano w sposób wykreślny na rys. 3, na

5 92 1 E-2 E ~ o A N A. o l l 1 E-3 L E-5 1 E-4 1 E-3 1 E-2 Prędkość wzrostu v, cm/s AZ Rysunek 3. Wpł yw prędkości wzrostu eutektyki v na odległość międzypłytkową eutektyki gratitowej A., wielkości wyprzedzenia grafitu l i zagłębienia w austenicie::. którym naniesiono rów nie ż wyniki obliczeń wyprzedzenia grafitu l i wielkości z agłębi e nia w austenic1e ::, wykonanych według nas tępujących z ależności [3]: 15/ 1 [(m C0v. p Gf tg0 ) 2f Ą( ] l = g - (3) 7GA.' f,' + 140f D ( 8 f ) 30 / "' g g) 8 - n " " / g- to0 + sin0 oraz [(lm IC v. f' Gf. tg0 ). zr A. ] 7GA.' f } +240f" D " /, 1,5 f. "' " " z= l5f',, - "- 0 -(n --_)+. a " Ą' + - "- (3to0 - sin0 ) (4) gdzie: g, a- indeks oznaczający kolejno grafit i austenit, a wartości parametrów materiałowych przyjętych do obliczeń z ależności (3) i (4);f- ułamek objętości fazy w eutektyce, r- długość kapilarna, m - współczynnik kierunkowy linii likwidus, Co- stężenie, /J - współczynnik dyfuzji węgla w cieczy, e- kąt styku, n i p- stałe materiałowe, zestawiono w pracy [3]. Wyniki do świadcza lne zależności Ą = f (v), opracowano metodą statystyczną, uzyskując równanie regresji (współczynnik korelacji, R = 0,98) w postaci ogólnego zapisu prawa wzrostu eutektyki wyrażonego zależnością (l):

6 93 Ą = 5,09 lo -S v-o,', cm (5 ) Z anali zy przeb1egu krzywych A.( i') i l( v) wynika, ż e w miar ę z\>v ięk sz ania prędkości wzrostu v, uzyskuj e s ię zmniejszenie wa rt ości omawianych parametrów i jedynie przy danych wie l kości zagłę bi e ni a ::: obserwuje s i ę w p o cząt ko wym okresie nieznaczne z akłócenie Może to być zw i ązane z samym ksztaltem frontu krystalizacji austemtu w pr zyj ętym modelu [3]. Z obserwacj I metalograficznych uzyskanej struktury wynika, iż wartości parametru ::: i..1 są zbiizonc Z kolei wartośc i wyprzedzema grafitu są mniejsze od parametru A, a najistotniejszą rolę w wyznaczeniu parametru l grafitu odgrywa kąt styku 0 oraz wartość współczynmka dytuzj I węgla w cieczy D ReasumuJąc wyniki badań mikrostruktury i kszta łt u rrontu krystalizacji eutektyki grafitowej w stopie Fe - C mozemy s t wierdzić, że w m i a r ę zwiększani a p r ędko ści wzrostu eutektyki, obserwuje si<;: zmniejszenie parametru geometrycznego A eutektyki zgodnie z zaleznośc1ą (5). Ponadto podczas wzrostu eutektyki grafitowej, płyt ki grafitu wy r aź ni e wyprzedzają austenit (rys :2d), natomiast wielkości zag łęb i enia w fazie n ie śc ian owej (austenitu) są zblizone do odległosci międzypłytkowej Ą Związek pom i ę d zy tymi trzema parametrami, pozwoli w dalszej kolejności podjąć badania odnośme wzrostu tej eutektyki przy z ało ż eniu, (1 pnon, rzeczywistego (dobrze wyeksponowanego) kształ tu!ton tu krystalizacji. LITERA TURA [l] F1sher D J, Kurz W A theory o f branching limited growth of 1rregular eutectics. Acta Metallurg1ca :28, s 777 l :2 l Magm n P, Kurtz W An analytical model o f Irregular eutectic growth and its application tofe-c, ActaMetallurgica ,s. l11 9 [3 j Guzik E. Model wzrostu eutektyki nieregularnej na pr zykład z ie eutektyki grafitowej w stopachfe-c Rozprawy - Monogra tle, Zesz. Nauk. AGH, Nr l S, \ 994, s [ 4] T d l er W A. Liquid metais and soiidification ADM, Ohio Cleveland [5] Jackson K. A., Hunt J D Lamellar and rod eutectic growth.transactions of the Metallurgical Soc1ety of AIME, :236, s [6] Fraś E. Krystalizacja zehwa Skrypt AGH nr Kraków, 1981 ANALYSIS OF GROWTH OF ORIENTED GRAPHITE EUTECTIC IN CAST IRON The pa per brings the results o f investigations of the unidirectional crystallization of Fe - C alloys. Appl ying the Bridgman clevice for umd1rectional crystallization it was a relation between the interlamellar spacing A and growth rate l' established. In the structure o f the unidirectional graphi te eutectic, crystallizing wit h t he rate 8.33-E-05 + l ll E-03 cm/s, the decreasing o f the parameters Ą (Ą = 5,09 lo_, v-u.') were observed. The shape ofthe solid- liquid interface of y(fe) + graphite eutectic and the protrusion at the austemt by the leading erystal graphite are also presented.