MORFOLOGIA FRONTU KRYSTALIZACJI SILUMINU EUTEKTYCZNEGO

Transkrypt

1 -41- Soliditioation of Metais and Al ł oys, No.28, 1996 Krzepmęcie Metali i Sropów. Nr 28, 1996 PAN- Oddzw l Katowice: PL. ISSN MORFOLOGIA FRONTU KRYSTALIZACJI SILUMINU EUTEKTYCZNEGO GUZIK Edward, KOPYCIŃSKI Dariusz Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo- Hutniczej, Reymonta 23, KRAKÓW, POLSKA STRESZCZENIE W ramach badań własnych zaprezentowano kształt frontu krystalizacji eutektyki nieregularnej Al - Si, w którym uwzględniono zasadniczą rolę fazy ścianowej, jako fazy wiodącej w procesie krystalizacji tego rodzaju eutektyki. Założony i opisany odpowiednią funkcją kształt nieizotermicznego frontu krystalizacji eutektyki, umożliwia obliczenie charakterystycznego zagłębienia w fazie nieścianowej (np. w a (Al)) oraz wielkości wyprzedzenia jej przez fazę ś cianową np. Si. Eksperymentalną weryfikację założonego kształtu frontu krystalizacji eutektyki nieregularnej, przeprowadzono w oparciu o wyniki badań kierunkowej krystalizacji i obserwacji zamrożonego kształtu frontu eutektyki stopu Al - Si. ABSTRACT In the part comprising the autor' s own investigations of a shape of the solid - liquid interface irregular eutectic Al - Si, has been presented. The model takes into consideration the esential role o f the faceted phase as the leading phase in the crystallization of such eutectic kind. The proposed shape of the crystallization front, characterized by a suitable function as well as applying the non-isothermal solid - liquid interface for modelling purposes allows calculation of the characteristic depression in the nonfaceted phase (e. g. a (Al)) and the protrusio n o f the leading phase S i. For the experimental verification o f the elaborated shape o f the solid - liquid in terface the results o f the unidirectional crystallization front o f the eutectic under question as well as observations of the "freezed" crystallization of the eutectic in the Al - S i alloys were utilized. 1. WPROWADZENIE Eutektyka, ustala zasadniczo strukturę tak ważnych stopów odlewniczych jak; silumin czy żeliw o, a także jest wykorzystywana do otrzymywania zorientowanej struktury (technika kierunkowej krystalizacji), a odlewy o takiej strukturze nazywa się niekiedy kompozytarni in situ lub eutektycznymi kompozytarni odlewanymi. Procesy, zachodzące na płaszczyźnie rozdziału ; ciecz- fazy eutektyczne, zwanej frontem krystalizacji, prowadzą do powstawania różnych rodzajów eutektyki, w tym tak ważnych jak: eutektyki typu ścianowo - nieścianowej (nieregularnej) bądź nieścianowo - nie ścianowej (regularnej). Schematy kształtu frontu krystalizacji eutektyki regularnej i nieregularnej oraz sposób rozgałęziania się płytki krzemu pokazano schematycznie na rys. l [1, 2]. W pierwszym przypadku, front w przybliżeniu płaski, jest utworzony z wielepłytkowej struktury, złożonej z naprzemianległych płytek faz a i p (rys. l a), w drugim natomiast obserwuje się charakterystyczne zagłębienie w fazie nieścianowej a oraz zjawisko rozgałęziania się fazy ścianowej (3' (np. płytka grafitu bądź krzemu) (rys. l b.). Jest to spowodowane nietrwałością

2 - 42- a) b) C} A B til~./ /2,tl. 0: ~ 4; (112]A (112]8 A f3 kierunek wzrostu Rys. l. Schemat ksztahu frontu krystalizacji eutektyki regułamej (a) i nieregularnej (b) - P' faza ścianowa [l] oraz sposobu rozgałęzienia płytki krzemu (c) [2] frontu krystalizacji takiej eutektyki; odgałęzienia wzrastają w swoich kierunkach krystalograficznych, które są na ogół niezgodne z kierunkiem przepływu ciepła w odlewie. W modelowaniu wzrostu eutektyki, zakłada się określone kształty frontu krystalizacji, które według chronologii ich przedstawiania (od roku 1966) zestawiono na rys. 2 [3-7]. W wielu przypadkach, przyjęta do rozważań morfolog1a frontu krystalizacji, wyraźnie odbiega od warunków rzeczywistych krystalizacji stopu, a pionierskie prace z tego zakresu zostały wykonane przez Jacksona i Hunta (J-H) [3]. Model ten (rys. 2 a), jak i późniejsze opracowania, określają z zadowalającą dokładnością parametr geometryczny eutektyki regularnej, tj. odległość międzypłytkową A (np w stopach Al - Cu, Pb - Sn), natomiast w przypadku eutektyki nieregularnej (występującej np. w stopachfe-c bądź Al- Si) obserwuje się duże różnice w wynikach obliczonych i doświadczalnych tego parametru. Dopiero w roku 1974 [4], zaproponowano w modelu wzrostu eutektyki nieregularnej niewielkie zagłębienia w fazie nieścianowej a (rys. 2 b.), które dopiero w latach 80 -tych wykorzystano w pełni na całej dłu g ości tej fazy (rys. 2 c,d,e.). Opracowane dotychczas modele, aczkolwiek dają pewien obraz ksztahowania się struktury nieregularnej, wykorzystują jednak zasadnicze uproszczenie, nie uwzględniają bowiem wyprzedzenia jednej fazy przez drugą. W proponowanym modelu własnym (rys. 2f.), uwzględniono obok charakterystycznego zagłębienia, długość l o którą zostaje wyprzedzona faza a przez fazę (3. Takie założenia ksztahu frontu krystalizacji, umożliwia kolejne udoskonalanie prawa wzrostu eutektyki nieregularnej i jest najbardziej zbliżone do warunków rzeczywistych. Badanie wzrostu tego rodzaju eutektyki ma szczególną wagę, gdyż występuje ona w jednym z bardziej rozpowszechnionych stopów odlewniczych, tj. Al- Si. 2. KSZTAŁT FRONTU KRYSTALIZACJI EUTEKTYKI Al- Si W modelowaniu wzrostu eutektyki nieregulamej, należy przyjąć odpowiedni ksztah frontu krystalizacji, charakteryzujący się wyprzedzeniem jednej fazy przez drugą, oraz zagłębieniem w fazie nieścianowej (np. w (a)al). Założono uproszczony kształt frontu krystalizacji (rys 3 )

3 - 43- a) Y d) b) c) f) X Y Rys. 2. Schemat kształtu frontu krystalizacji eutektyki przyjęty w modelowaniu wzrostu eutektyki przez różnych autorów a- [3], b- [4), c- [5], d- [6], e- [7], f- w niniejszej pracy dla obszaru pary płytek fazy a. i 13 w oparciu o przesłanki teoretyczne wskazujące na konieczność uwzględnienia wyprzedzenia fazy ścianowej 13 i charakterystycznego zagłębienia w fazie nieścianowej a. oraz wyniki fragmentarycznych obserwacji zamrożonego frontu krystalizacji eutektyki stopów technicznych; Fe - C t Al - Si [4,7-12]. Do opisu, tak przyjętego kształtu frontu krystalizacji w obszarze faz a. i 13 zastosowano funkcję parzystą dwukwadratową, (l) Dla określonych warunków brzegowych można wyznaczyć funkcję JJ(x) i j 2 (x) oraz przyjmując prędkość wzrostu eutektyki v i gradient temperatury w cieczy na froncie krystalizacji G, można napisać następujący warunek nieizotermiczności [7) :

4 -44- Rys. 3. Uproszczony schemat frontu krystalizacji eutektyki nieregularnej wraz z oznaczeniem charakterystycznych wielkości l o l s. - f [ ~T"(x) + ~~ (x) + G/ 1 (x))dx =- f[~t"(x) + ~~ (x) + Gj 2 (x)]dx =~T (2) S P - Sp S a o Składowe ogólnego przechłodzenia LJT, związane z procesem dyfuzji składniki LJTc 1 krzywizną frontu krystalizacji LJTr przyjęto zgodnie z teorią J- H [3]. Po uwzględnieniu tych składowych oraz postaci funkcji j(x), można wyznaczyć z (2) ogólne wyrażenia na ~T: AT, ( '-' = - m C 'AvCoPa.) 2fo. sin0 o. ( Gtan0 o. Afo. 8Gz) ~ +B o. o. "' r D r ') Ja. Ja ' (3) - _ ( f...vc0ppj 2fp sin0p ( 8G/ Gtan0pA/pJ ~TP - - m P ~C., +B '--'- / pd / pf ,5 Przy założeniu podobnego warunku nieizotermiczności jak (2), lecz w odniesieniu do osi każdej z faz i porównaniu jego rozwiązania z wyrażeniami (3) i (4), możemy wyznaczyć na froncie krystalizacji eutektyki,charakterystyczną wielkość wyprzedzenia /-patrz na rys. 3 ) (4) (5) Do weryfikacji obliczonego parametru /, wykorzystano wyniki badań przeprowadzonych metodą kierunkowej krystalizacji stopu eutektycznego Al-Si. Metoda ta umożliwia świadome sterowanie procesem krystalizacji, przy znajomości takich parametrów jak: prędkość wzrostu v (w pierwszym przybliżeniu utożsamia się z prędkością przemieszczania frontu krystalizacji) oraz gradient temperatury w cieczy na froncie krystalizacji G. Ponadto technika ta, pozwala na dobre odwzorowanie (metoda "zamrażania próbek") ksztahu frontu krystalizacji. Szczegóły przeprowadzenia kierunkowej krystalizacji stopu eutektycznego Al - S i metodą Bridgmana

5 a) a) a) b) b) Rys. 4. Struktura i kształt frontu krystalizacji ukierunkowanego siluminu eutektycznego Traw. a) v = s cm/s, b) v = 8.33 lo 4 cm/s

6 -46- oraz technikę zamrażam a frontu krystaliziicji podano w pracy [ 11, 12], natomiast stałe materiałowe do obliczania zależności (5) zestawiono w tablicy l [13]. Na rysunku 4, pokazano dla przykładu utrwalony ksztah frontu krystalizacji eutektyki Al - Si, gdzie wyraźnie uchwycono wyprzedzenie krzemu względem roztworu a(al). Niekiedy obserwuje się także charakterystyczne zagłębienie w fazie nieścianowej, tj. w a(al). Wyniki analizy metalograficznej ilościowej odległości międzypłytkowej eutektyki Ą i obliczonego wyprzedzenia krzemu na froncie krystalizacji eutektyki Al - Si l (wg. zależności (S)) w zależności od prędkości wzrostu v, przedstawiono na rys. S. Wyniki do świadczalne zależności Ą = f(v), opracowano metodą statystyczną, uzyskując równanie regresji w postaci ogólnego zapisu prawa wzrostu eutektyki (współczynnik korelacji R = 0.9S): A. = l. 64 l o- 5 v- o.s, cm (6) Statystyczną weryfikację równama (6) przeprowadzono przy wykorzystaniu testu F (S nedegora-fishera, tzw. reguła czterokrotności) i wykazano, że model ten jest poprawny. Tablica l. Zestawienie parametrów materiałowych stopu eutektycznego Al- Si [13] Parametr Oznaczenie Jednostka Krzem Stężenie Si w punkcie eutektycznym C eut %wag 12.7 [12.6] Stężenie Co %wag 98.2 Temperatura przemiany eutektycznej T. o c S77.2 Współczynnik kierunkowy linii m; likwidus Współczynnik dyfuzji krzemu D w cieczy K%wag. cm 2 l s 1S [17.S] s 0 10' 5 [ ] ' ' 5 Długość kapilarna [; Kern o s Ułamek objętości Si w eutektyce f; - o 127 Kąt styku 0; de g. 6S [8S] Stała materiałowa stopu p - 8,9 10' 3 Stała materiałowa stopu 1t ' 2

7 -47- Oznaczenie w tabeli : 00 l 7r. = 2:-- 2 sin(mifj, [7] n= l (111r) Z analizy przebiegu krzywych pokazanych na rys. 5 wynika, iż w obu przypadkach, w miarę zwiększania prędkości wzrostu v uzyskuje się zmniejszenie wartości omawianych parametrów. Ustalono, iż w procesie kształtowania struktury frontu krystalizacji eutektyki Al - Si, wyrażonej wyprzedzeniem l, pierwszoplanową rolę odgrywają następujące czynniki kapilarny (kąt styku 0 -patrz oznaczenie na rys. 3) oraz dyfuzyjny (współczynnik dyfuzji D). Inne parametry materiałowe tego stopu, jak długość kapilarna r i współczynnik kierunkowy linii likwidus m wywiera mniej istotny wpływ na omawiany parametr l. 1 E-02 A= v--ds 1E-03 ~ ~ 1 E-04 1E-05 1 E-04 1E-03 Prędkość wzrostu v, cm/s 1E-02 Rys. 5. Wpływ prędkości wzrostu v na odległość międzypłytkową Ą eutektyki Al - Si oraz wyprzedzenie krzemu l względem fazy a( A!)

8 -48- Reasumując wyniki badań można stwierdzić, iż zastosowana do opisu kształtu frontu krystalizacji eutektyki funkcja parzysta dwukwadratowa oraz przyjęty warunek nieizotermiczności, umożliwiają wyznaczenie wielkości wyprzedzenia fazy ścianowej przez fazę wiodącą ścianową - krzemu. Kształt frontu krystalizacji, wynikający z proponowanego modelu jest bardzo zbliżony do rzeczywistego kształtu, co wynika z obserwacji zamrożonego frontu krystalizacji eutektyki Al - Si. Zastosowane w tekście oznaczenia: f- ułamek objętości fazy w eutektyce, r =at/l - długość kapilarna, m - współczynnik kierunkowy linii likwidus, C 0 - stężenie składnika, D - współczynnik dyfuzji składnika, 0 - kąt styku, cr - napięcie powierzchniowe granicy międzyfazowej ciecz - faza Si, T - temperatura równowagi, L - ciepło topnienia fazy, rr i P - stałe materiałowe stopu Al - Si, zestawiono w pracy [13]. LITERATURA l. Kurz W., Trivedi R. : Solidification microstructures; recent developtrnents and future directions Acta Metali. Mater. v. 38, 1990, s Shamazzoha M. Hogan LM, Berry l L Effects of modifying agents on crystallography and growth ofsilicon phase in Al - Si casting alloys. Trans. Am. Foundrym. Soc. v. 101, 1993, S Jackson KA, Hunt ld. Lamellar and rod eutectic growth. Trans. Metali. Soc. ATh1E, v. 23 6, 1966, s Sato T, Sayama Y : Completely and partially cooperative growth of eutectics. l Cryst Growth, V. 22, 1974, S Owadano T, Kishitake K, Fujii M, Miyamoto K : Morfology of unidirectional solidification front and undercooling in eutectic Fe- C - Si grey cast irons. Brit Fundrym. v. 7, 1980, S Fisher D.l, Kurz W. A theory of branching limited growth of irregular eutectics. Acta Metali v. 28, 1980, s Magnin P., Kurz W.: An analytical model ofirregular eutectic growth and its application to Fe-C ActaMetall. v. 35, 1987, s Davies V. L : Mechanism o f crystalization in binary eutectic. l Inst Metals, v. 95, 1964/65, s. 1 O 9. Fraś E. : Directional crystallization ofgraphite eutectic. Zesz. Nauk. AGH, Metali.- Odlewn. t2, 1976, s. 103 lo.kurz W, Fisher DJ: Dendrite growth in eutectic alloys the coupled zone. Int Met Reviews, v. 244, 1979, s Guzik E., Kopyciński D. Struktura kompozytu Al- Si. I Intern. Conf. Faculty offoundry Eng. Kraków VI, 1995, s Guzik E. : Model wzrostu eutektyki nieregularnej na przykładzie eutektyki grafitowej w stopachfe-c Rozprawy- Monografie, Zesz. Nauk. AGH, nr 15, 1994, s. l Guzik E, Kopyciński D. Analysis o f growth o f oriented eutectic Al- S i. Arch. Hutnictwa 2, 1996, s. 88