AMME 2003 12th Prognozowanie udziału grafitu i cementytu oraz twardoci na przekroju walca eliwnego na podstawie szybkoci krzepnicia J. Sucho Zakład Odlewnictwa, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska ul. Towarowa 7, 44-100 Gliwice, Polska Czynnikiem decydujcym o własnociach uytkowych walców jest twardo powierzchni roboczej beczki. Twardo ta jest cile uzaleniona od struktury odlewu. Powstajca struktura zaley od składu chemicznego oraz szybkoci krzepnicia odlewu walca. W artykule przedstawiono badania majce na celu wyznaczenie jak szybko krzepnicia odlewu wpływa na oraz udział objtociowy grafitu i cementytu na przekroju walca eliwnego oraz na jego twardo. 1. WPROWADZENIE Przedmiotem prowadzonych bada s eliwne walce hutnicze, odlewane w formie metalowej. Podstawowym wskanikiem ich jakoci jest twardo. Powszechnie wiadomo, e właciwoci mechaniczne (w tym twardo) zalene s od składu chemicznego i warunków krystalizacji a w konsekwencji od struktury odlewu. W przypadku grubociennych odlewów eliwnych obserwuje si włanie istotne zmiany struktury na przekroju, wynikajce ze zmiennych warunków krzepnicia metalu. Celem niniejszej pracy jest próba okrelenia funkcyjnego opisu rozkładu składników struktury (grafitu i cementytu) oraz twardoci na przekroju odlewu walca w funkcji szybkoci krzepnicia. 2. PRZEPROWADZONE BADANIA Badania prowadzona na walcach o rednicy 325 mm wykonanych z eliwa o nastpujcym składzie chemicznym: 3,22 3,5 C, 0,58 Mn, 1,2 1,29 Si, 0,02 0,11 P, 0,020 0,042 S, 1,22 1,33 Cr, 1,21 1,44 Ni, 0,22 0,5 Mo. Wykonano 18 wytopów walców. Z kadego walca pobrano próbk do pomiary twardoci i udziału objtociowego grafitu i cementytu. Pomiary realizowano w warstwach co 5 mm liczc od obrobionej powierzchni beczki do odległoci 30 mm oraz na powierzchni czopa walca. rednie wartoci uzyskanych wyników zestawiono w tabeli 1. W baniach wykonano rejestracj ATD dla wszystkich walców oraz dodatkowo pomiary temperatury podczas stygnicia w czterech walcach.
864 J. Sucho Tabela 1 rednie wartoci twardoci oraz udziału objtociowego grafity i cementytu Odległo od powierzchni baczki [mm] Twardo HB Udział objtociowy grafitu [%] Udział objtociowy cementytu [%] 0 410 1,37 31,62 5 398 1,67 29,25 10 387 1,89 27,26 15 376 2,21 25,57 20 370 2,48 24,23 25 363 2,84 22,47 30 357 3,14 20,74 Czop 279 5,70 12,79 Na rys. 1. przedstawiono usytuowanie punktów pomiarowych w walcu: punkt 0 o walca, punkt 1 126,5 mm od osi walca, punkt 2 151,5 mm od osi walca, punkt 3 176,5 mm od osi walca, punkt 4 240,5 mm od osi walca, (połowa gruboci kokili). Poniewa jednoczenie mogły by realizowane pomiary tylko w czterech punktach pomiar realizowano w nastpujcy sposób: Próba 15 i 16: punkty 1; 2; 3; 4, Próba 17 i 18: punkty 0; 1; 3; 4. Rysunek 1. Przekrój formy w oznaczonymi punktami pomiarowymi. Pomiar temperatury wykonano za pomoc termoelementów PtRh10-Pt o rednicy 0,5 [mm] Pomiarów dokonano przy automatycznej kompensacji temperatury otoczenia w
Prognozowanie udziału grafitu i cementytu 865 systemie aparatury CRYSTALDIGRAPH. Rejestracj rozpoczto na kilkanacie sekund przed zalaniem wlewnicy. Trwała ona do momentu gdy temperatura w wszystkich punktach pomiarowych osignła poziom ok. 900 o C. Na rys. 2 przedstawiono przykładow rejestracj stygnicia walca. Pomiary przeprowadzone na rzeczywistym odlewie przedstawiaj przebieg krzepnicia walca w wybranych punktach odlewu (punktach pomiaru temperatury). Jednak znajomo przebiegu stygnicia w kilku punktach przekroju walca nie wiadczy jednoznacznie o przebiegu krzepnicia w dowolnym punkcie przekroju. Aby analizowa przebieg krzepnicia w dowolnym punkcie przekroju konieczna jest symulacja komputerowa, dla której wyniki pomiarów stanowi bd punkty odniesienia. Temperarura 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Czas [s] o 126,5 mm od osi 176,5 mm od osi 240,5 mm od osi Rysunek 2. Rejestracja stygnicia walca nr 17. Dla przeprowadzenia symulacji komputerowej konieczna jest znajomo parametrów termofizycznych krzepncego metalu. Dla ich wyznaczenia skorzystano z zarejestrowanych wyników próby ATD, która pozwala na okrelenie spektralnego ciepła krystalizacji oraz parametrów termofizycznych eliwa. Uzyskane t drog wyniki s podstaw symulacji komputerowej stygnicia. Do wyznaczenia ciepła spektralnego zastosowano metod zaproponowan przez Z. Jur [1, 2]. Zaproponowana metoda polega na przeprowadzeniu symulacji standardowego próbnika ATD. Do programu symulacyjnego wprowadza si model krzepnicia metalu w postaci funkcji ciepła spektralnego i parametry termofizyczne metalu w celu odtworzenia krzepnicia próbnika ATD. Dane termofizyczne otrzymane w wyniku symulacji próbników ATD zestawiono w tabeli 2.
866 J. Sucho Tabela 2 Dane termofizyczne obliczone na podstawie symulacji próbnika ATD Walec 15 Walec 16 Walec 17 Walec 18 λ c [W/mK] 38,0 35,0 39,0 38,0 λ st [W/mK] 45,0 40,0 46,0 45,0 cp c [J/kgK] 730,0 730,0 730,0 730,0 cp st [J/kgK] 850,0 850,0 850,0 850,0 ρ c [kg/m 3 ] 7000 7000 7000 7000 ρ st [kg/m 3 ] 7000 7000 7000 7000 TL [ o C] 1235 1198 1217 1216 TS [ o C] 1135 1135 1125 1132 Q k [J/kg] 215454 239515 249235 243547 Po wyznaczeniu danych termofizycznych dokonano ich powtórnej weryfikacji poprzez symulacj walca, podczas której starano si odtworzy przebieg rzeczywistego przebiegu temperatury w punktach pomiarowych. Przykładowy wykres przedstawiajcy wyniki symulacji przedstawiono na rys. 3. 1400 Walec 17 Temperatura [ o C] 1200 1000 800 600 400 200 Pom. o Pom. 126,5 Pom. Kokila Sym. o Sym. Kokila Sym. 126,5 Sym 151,5 0 0 1000 2000 3000 4000 Czas [s] Rysunek 3. Porównanie wyników symulacji komputerowej z pomiarami walca nr 17. Analiza otrzymanych wykresów wykazała dobre odwzorowanie pomiarów przez symulacj. Co potwierdza poprawno przyjtych parametrów termofizycznych. Aby w pełni zobrazowa przebieg krzepnicia walców naleało przeprowadzi ponown seri symulacji majcych na celu wyznaczenie przebiegów temperatury w wielu punktach przekroju ze szczególnym uwzgldnieniem punktów, w których były dokonywane pomiary twardoci oraz udziału objtociowego grafitu i cementytu. Analiza tych krzywych stygnicia pozwoli na okrelenie zalenoci pomidzy szybkoci krzepnicia w danym punkcie a
Prognozowanie udziału grafitu i cementytu 867 powstajca struktur i twardoci walca. Na rys. 4 przedstawiono wykres zmiany temperatury walca 17 w punktach 0, 5,..., 35, 75 i 162,5 mm od powierzchni beczki. Walec 17 1300 Temperatura o C 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 5 10 15 20 25 30 35 75 162,5 TH TL TS Czas [s] Rysunek 4. Wykres zmiany temperatury podczas krzepnicia walca 17 w wybranych punktach odpowiadajcych pomiarom twardoci i badaniom metalograficznym. Na wykresach naniesiono temperatury likwidus (TL), solidus (TS) oraz temperatur koca krzepnicia (TH). Temperatur t okrelono na podstawie pomiarów ATD. Temperatur t przyjto na poziomie 1072 [ o C] tj. redni warto temperatury w punkcie H dla wszystkich 18 wytopów. Uzyskane wykresy posłuyły do wyznaczenia czasów potrzebnych do osignicia temperatury TH oraz szybkoci spadku temperatury pomidzy temperatur zalewania a temperatur koca krystalizacji. Wartoci te zestawiono w tabeli 3. 3. WPŁYW SZYBKOCI KRZEPNICIA NA ROZKŁAD ILOCI SKŁADNIKÓW STRUKTURY I TWARDO ELIWA Czynnikiem, który w sposób istotny wpływa na struktur a tym samym na właciwoci odlewu jest szybko krzepnicia. Szybkoci krzepnicia jest podstawowym, obok składu chemicznego, czynnikiem wpływajcym na powstawanie struktury w krzepncym odlewie eliwnym. Dlatego zasadnym jest okrelenie zalenoci pomidzy szybkoci krzepnicia a udziałem składników struktury oraz twardoci.
868 J. Sucho Tabela 3 Zestawienie czasów i szybkoci krzepnicia Odległo od Walec 15 Walec 16 Walec 17 Walec 18 powierzchni Tz = 1291 Tz = 1299 Tz = 1310 Tz = 1318 S red. beczki t k S t k S t k S t k S 0 485 0,45 531 0,43 566 0,42 528 0,47 0,44 5 588 0,37 659 0,34 661 0,36 648 0,38 0,36 10 692 0,32 754 0,30 796 0,30 759 0,32 0,31 15 811 0,27 897 0,25 924 0,26 902 0,27 0,26 20 930 0,24 1017 0,22 1059 0,22 1054 0,23 0,23 25 1058 0,21 1144 0,20 1218 0,20 1197 0,21 0,20 30 1185 0,18 1295 0,18 1354 0,18 1356 0,18 0,18 35 1320 0,17 1415 0,16 1513 0,16 1507 0,16 0,16 75 2260 0,10 2442 0,09 2611 0,09 2582 0,10 0,09 162,5 2976 0,07 3246 0,07 3535 0,07 3283 0,07 0,07 Oznaczenia: Tz temperatura zalewania, t k czas osignicia temperatury koca krzepnicia przez poszczególne walce w okrelonych punktach, ( Tz TH ) S = szybko spadku temperatury od temperatury zalewania do temperatury TH, t k TH temperatura koca krystalizacji 1072 o C S red. rednia szybko krzepnicia walców 15 do 18 Szybko krzepnicia została okrelona jako szybko spadku temperatury w zakresie od temperatury zalewania do temperatury koca krystalizacji. W wyniku analizy statystycznej otrzymano nastpujce równania: ilo grafitu w funkcji szybkoci krzepnicia 37,98 Vvg = 1,27 + (1) 1+ exp 8,81 [ ( S + 0,16 )] o parametrach statystycznych: δvvg = 0,041; R = 0,999, F = 7021 ilo cementytu w funkcji szybkoci krzepnicia 24,29 Vvc = 31,80 (2) 1+ exp 11,9 [ ( S 0,168 )] o parametrach statystycznych: δvvc = 0,486; R = 0,997, F = 2717 twardo w funkcji szybkoci krzepnicia
Prognozowanie udziału grafitu i cementytu 869 9,37 HB = 413 (3) 1+ exp 9,47 [ ( S + 8,28 10 )] 4 o parametrach statystycznych: δhb = 5,47; R = 0,991, F = 5202 Otrzymane zalenoci przedstawiono na wykresach rys. 5 do 7. Vvg [%] 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 S [K/s] Vvg(S) Rysunek 5. Rozkład iloci grafitu w funkcji szybkoci krzepnicia. Vvc [%] 32,50 30,00 27,50 25,00 22,50 20,00 17,50 15,00 12,50 10,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 S [K/s] Vvc(S) Rysunek 6. Rozkład iloci cementytu w funkcji szybkoci krzepnicia.
870 J. Sucho 425 400 375 350 HB 325 300 275 250 225 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 S [K/s] HB(S) Rysunek 7. Rozkład twardoci w funkcji szybkoci krzepnicia. Uzyskane równania oraz sporzdzone na ich podstawie wykresy pozwalaj na wyznaczenie udziałów objtociowych grafitu, cementytu i twardoci w dowolnym punkcie na przekroju walca na podstawie szybkoci krzepnicia.. Przedstawione wykresy wskazuj wyranie, e w celu osignicia wysokich twardoci w warstwie roboczej, czyli ok. 400 HB potrzebna jest prdko krzepnicia minimum 0,35 [K/s]. Twardo to spowodowana jest wysok zawartoci cementytu ok. 30 % oraz nisk grafitu ok.1,7 % Wraz ze spadkiem szybkoci krzepnicia obserwujemy wyrany spadek twardoci spowodowany wzrostem iloci grafitu w osnowie a zmniejszeniem si iloci cementytu. 4. PODSUMOWANIE Okrelono wpływ szybkoci krzepnicia odlewu na udział objtociowy grafitu, cementytu oraz na twardo. Uzyskane zalenoci (1) (3) pozwalaj na wyznaczenie rozkładu udziału objtociowym grafitu i cementytu oraz twardoci na przekroju krzepncego walca. Zwizki te mog by wykorzystane podczas symulacji komputerowej krzepnicia w celu prognozowania powstajcej struktury oraz przewidywania twardoci odlewu walca. Otrzymane zalenoci pozwalaj na wyznaczenie rozkładu udziału składników struktury i twardoci walców dowolnej rednicy wykonanych z eliwa o tym samym składzie chemicznym. LITERATURA 1. Jura Z.: Ciepło spektralne krystalizacji eliwa szarego. Krzepnicie metali i stopów Nr 40, PAN Katowice 1999 s.153-158. 2. Jura Z. Metoda okrelenia ciepła spektralnego krystalizacji na podstawie próby ATD. Praca doktorska. Czstochowa 1997.