MODELOWANIE PRZEMIAN FAZOWYCH W STYGNĄCYCH ODLEWACH STALIWNYCH.

Transkrypt

1 5/38 Solidificatio of Metals ad Alloys, No. 38, 1998 Krzepięcie Metali i Stopów, r 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN MODELOWANIE PRZEMIAN FAZOWYCH W STYGNĄCYCH ODLEWACH STALIWNYCH. PARKITNY Ryszard, WINCZEK Jerzy Istytut Mechaiki i Podstaw Kostrukcji Maszy Częstochowa, ul. Dąbrowskiego 73 ABSTRACT I the paper the quatitative descriptio of phase chages i flat wall of the castig is preseted. TTT c -diagram for steel with chemical compositio equivalet for cast steel 50L has bee selected. Coolig rate of castig has bee obtaied by surface film coductace depedig o kid of coolig medium. Dilatometric curves, phase chage diagrams ad distributio of hardess for examples of coolig i castig mould ad water have bee show. 1. WPROWADZENIE Obróbkę cieplą odlewów staliwych przeprowadza się ajczęściej po ich ostygięciu i wybiciu z formy. Proces te wymaga poowego agrzaia odlewu, często do temperatury powyżej A 3, wytrzymaia w tej temperaturze w celu wyrówaia temperatury pomiędzy środkiem odlewu i jego zewętrzą powierzchią, a astępie schłodzeie w celu uzyskaia odpowiediej struktury. Mając a uwadze skróceie procesu techologiczego i wykorzystaie ciepła po zakrzepięciu odlewu w formie (uikięcie agrzewaia), w iektórych przypadkach moża wybić odlew z formy w dostateczie wysokiej temperaturze i uzyskać żądae własości odlewu podczas schładzaia poiżej temperatury austeityzacji [1]. 2. POLE TEMPERATURY W aalizie pola temperatury zakrzepłego odlewu przyjęto, że powyżej temperatury A 3 rozkład temperatury w przekroju poprzeczym odlewu opisuje fukcja: x f() x = T0 + T cos π (1) 2l gdzie: l - połowa grubości ściaki odlewu [m], T - różica pomiędzy temperaturą środka i temperaturą powierzchi zewętrzej odlewu T 0 [K]. Rozwiązując rówaie różiczkowe przewodzeia ciepła dla waruków brzegowych trze-

2 38 ciego rodzaju λ T = α( TT 0 ), (2) x gdzie λ jest współczyikiem przewodzeia ciepła [W/mK], a α współczyikiem wymiay ciepła z medium chłodzącym [W/m 2 K], otrzymujemy jedowymiarowe pole temperatury w postaci [2]: ( ) ( 2 2 α + β ) cos( βx) 2 β 2 2 ( α + β ) l + α l T( x, t) = 2 exp a t f x = 1 0 () cos( ) β x dx (3) gdzie a jest współczyikiem wyrówywaia temperatury [m 2 /s], przy czym β spełia rówaie: ( ) β tg β l α =0. Stąd po scałkowaiu i przekształceiach otrzymujemy: T( x, t) = 2 exp a t = 1 ( ) ( 2 2 α + β ) cos( βx) 2 β 2 2 ( + ) l + T0 α β α β si l 2π (4) π 4βl ( β l) + Tcos( β l) 3. PRZEMIANY FAZOWE Stygięcie odlewów staliwych, w wielu przypadkach jest a tyle itesywe, że poiżej temperatury austeityzacji, obok przemia perlityczych, ma miejsce przemiaa baiitycza, czy awet martezytycza. Rodzaj owo powstałej fazy zależy w dużym stopiu od kietyki procesu stygięcia. W celu ilościowego opisaia zależości struktury i własości materiału od temperatury i czasu przemiay austeitu przechłodzoego, moża posługiwać się wykresami czas-temperatura-przemiaa przy chłodzeiu ciągłym (CTP c ) dla stali odpowiadającej składem daemu staliwu. Kietykę przemia izotermiczego chłodzeia opisuje reguła W.A.Johso'a i R.F.Mehl'a oraz M.Avrami'ego [3]. Zgodie z ią, jeżeli austeit przemieia się w j różych składików strukturalych, to całkowity ułamek objętościowy jest rówy [4]: η i 0 η A = η 0 ( 1 e i i= P, F j η i = 1 i = 1 gdzie jest maksymalym udziałem objętościowym fazy i, a stałe b i i i są wyzaczae empiryczie dla poszczególych faz. W ilościowym ujęciu postęp przemiay fazowej szacuje się udziałem objętościowym η i powstającej fazy, przy czym i będzie ozaczać ferryt (i F), perlit (i P), baiit (i B) lub bt i i ) (5) (6)

3 39 martezyt (i M). Stosując zasadę addytywości, udział objętościowy wyrazimy aalogiczie do formuły Avrami'ego wzorem: 0 1 exp ( ) η = η bt i i i i Postęp przemiay martezytyczej został określoy zależością [3]: η i powstającej fazy (7) M ( = ( T)) 1 exp µ M s, (8) gdzie µ = C -1, M s jest temperaturą początku przemiay martezytyczej, a T bieżącą temperaturą procesu. 4. PRZYKŁADY OBLICZEŃ Obliczeia przeprowadzoo dla płaskiej ściaki odlewu o grubości 0.1 [m] wykoaej ze staliwa 50L o procetowym składzie chemiczym: C = ; M = ; Si = ; P max = ; S max = [5]. Pole temperatury określoo według zależości (4), gdzie przyjęto współczyik wyrówywaia temperatury a = 13*10-6 [m 2 /s], temperaturę zewętrzej ściaki odlewu T 0 = 800 [ 0 C], a różicę pomiędzy temperaturą środka i powierzchi zewętrzej odlewu T = 50 [ 0 C]. Kietykę przemia fazowych określoo w oparciu o wykres CTP c dla stali 50H, która swoim składem chemiczym odpowiada staliwu 50L [6]. Zgodie z wzorem (8) maksymala ilość martezytu powstała z przechłodzoego austeitu jest limitowaa temperaturą końca przemiay martezytyczej M f, która jest uzależioa od zawartości węgla i dla staliwa 50L wyosi około 50 [ 0 C] [7]. Obliczeia wykoao dla dwóch przypadków stygięcia odlewu: w formie odlewiczej (α = 800 [W/m 2 K]) i w wodzie (α =7500 [W/m 2 K]). W obliczeiach odkształceń przyjęto [8] współczyiki rozszerzalości liiowej ferrytu, perlitu i baiitu αf = α P = αb = α M = 14.* 10 5 [1/K] oraz α A = 22.* 10 5 [1/K], odkształceia przemiay austeitu w ferryt, perlit i baiit odpowiedio γ AF = γ AP = γ AB = 74.* 10 3 oraz austeitu w martezyt γ AM = 89.* Krzywe stygięcia odlewów w odiesieiu do wykresu ciągłego chłodzeia staliwa 50L przedstawioo a rys. 1. W odlewie stygącym w formie odlewiczej (rys. 1a) austeit ulega całkowitej przemiaie w ferryt i perlit (dla środkowej części odlewu - por. rys. 2a), bądź w baiit (przy zewętrzej powierzchi - por. rys. 2b). Rysuek 2c przedstawia udziały poszczególych struktur w przekroju poprzeczym odlewu po jego wystudzeiu o wyraźej przewadze mieszaiy ferrytu i perlitu, przy stosukowo iewielkim udziale baiitu przy zewętrzej powierzchi odlewu. a) b)

4 40 Rys. 1. Krzywe stygięcia odlewu w odiesieiu do wykresu ciągłego chłodzeia staliwa 50L: a) w formie odlewiczej, b) w wodzie (1 - środek odlewu, 2 - powierzchia zewętrza) Fig. 1. Coolig curves i relatio to TTT c -diagram for cast steel 50L: a) i castig mould, b) i water (1 - the ceter of castig, 2 - outer surface) a) b) c) Rys.2. Udziały fazowe w odlewie stygącym w formie: a) środek odlewu, b) zewętrza powierzchia, c) w przekroju poprzeczym odlewu po ostygięciu Fig.2. Phase fractios i cast steel durig coolig i castig mould: a) i the ceter of castig, b) outer surface, c) i cross-sectio of castig after coolig Podczas chłodzeia odlewu w wodzie (rys. 1b) austeit ulega przemiaie baiityczej (w środku odlewu - por. rys. 3a), jak rówież martezytyczej (powierzchia zewętrza - por. rys. 3b). Rysuek 3c ilustruje udziały poszczególych struktur w przekroju poprzeczym odlewu po jego ostudzeiu, gdzie domiuje struktura baiitycza, ale przy zewętrzej powierzchi odlewu obserwujemy mieszaię baiitu i martezytu, jak rówież pewą ilość austeitu szczątkowego. Określeie pola temperatury i udziałów fazowych pozwala a obliczeie odkształceń cieplych i fazowych, co zilustrowao w fukcji temperatury (wykresy dylatometrycze - rys. 4) i czasu (rys. 5). W przypadku chłodzeia odlewu w wodzie różica pomiędzy odkształceiami (cieplymi i od przemia fazowych) w środku odlewu i jego zewętrzej powierzchi jest wyraźie większa iż w przypadku odlewu stygącego w formie (por. rys. 4a i 4b).

5 41 a) b) c) Rys.3. Udziały fazowe w odlewie chłodzoym w wodzie: a) środek odlewu, b) zewętrza powierzchia, c) w przekroju poprzeczym odlewu po ostygięciu Fig.3. Phase fractios i cast steel durig coolig i water: a) i the ceter of castig, b) outer surface, c) i cross-sectio of castig after coolig a) b) Rys. 4. Wykresy dylatometrycze w odlewach chłodzoych: a ) w formie odlewiczej, b) w wodzie (1 - środek odlewu, 2 - zewętrza powierzchia) Fig. 4. Dilatometric curves i castig durig coolig: a) i castig mould, b) i water, (1 - the ceter of castig, 2 - outer surface) a) b) Rys. 5. Odkształceia cieple i od przemia fazowych w odlewach chłodzoych: a ) w formie odlewiczej, b) w wodzie (1 - środek odlewu, 2 - zewętrza powierzchia) Fig. 5. Thermal ad phase strais i castigs durig coolig: a) i castig mould, b) i water (1 - the ceter of castig, 2 - outer surface)

6 42 Określeie udziału poszczególych struktur pozwala rówież a oszacowaie twardości materiału w przekroju odlewu, co przedstawioo a rysuku 6. Rys. 6. Twardość HV 10 w przekroju odlewu po chłodzeiu: 1) w formie, 2) w wodzie Fig. 6. Hardess HV 10 i cross-sectio of castig after coolig i: 1) castig mould, 2) water 5. WNIOSKI Modelowaie przemia fazowych w stygących odlewach staliwych pozwala a progozowaie składu strukturalego odlewu, jak rówież iych własości termomechaiczych materiału. Nabiera to szczególego zaczeia w przypadku odlewów wybijaych z formy w temperaturze wyższej od temperatury austeityzacji. Poadto wzrasta możliwość kotroli procesu chłodzeia w celu uzyskaia żądaych własości (struktury) poprzez dobór medium chłodzącego. Zajomość odkształceń termiczych i od przemia fazowych podczas stygięcia odlewu staowi podstawę do w miarę pełego opisu aprężeń własych pozostających w ostudzoym odlewie. LITERATURA [1] Pieprzik S., Obróbka ciepla odlewów, Wyd. Pol. Częstochowskiej, Częstochowa 1970 [2] Carslaw H.S.,Jaeger J.C., Coductio of Heat o Solids, Claredo Press, Oxford 1959 [2] Ferades F.M.B., Deis S., Simo A., 1985, Mathematical Model Couplig Phase Trasforamtio ad Temperature Evolutio Durig Quechig of Steels, Materials Sciece ad Techology, vol. 1, pp [4] Hougardy H.P., 1987, Calculatio of the Isothermal Trasformatio Diagram from Dilatometric Measuremets with Cotiuous Coolig, Metalurgia i Odlewictwo, t. 13, z. 4, PWN, Warszawa, t. 13, z. 4, s [5] Sękowski K., Piaskowski J., Wójtowicz Z., Atlas struktur zormalizowaych stopów odlewiczych, WN-T, Warszawa 1972 [6] Charakterystyki stali. Seria C. Tom 1, cz. 1: Stale kostrukcyje stopowe, Wyd. Śląsk, Katowice 1975 [7] Staub F., Adamczyk J., Cieślak Ł., Gubała J., Maciejy A., Metalozawstwo, Śląskie Wydawictwo Techicze, Katowice 1994 [8] Melader M., 1985, A Computioal ad Experimetal Ivestigatio of Iductio ad Laser Hardeig, Likopig Studies i Sciece ad Techology, Dissertatio No 124, Likopig Uiveristy