20/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 OKREŚLANIE ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY CZASEM KRYSTALIZACJI EUTEKTYCZNEJ A ZABIELANIEM ŻELIWA Z. JURA 1 Katedra Mechaniki Teoretycznej Politechniki Śląskiej STRESZCZENIE W artykule przedstawiono hipotezę związku pomiędzy czasem krystalizacji eutektycznej żeliwa a stopniem jego zabielenia. Do określania czasu krystalizacji wykorzystano dane otrzymane z próby ATD oraz metodę określania spektralnego ciepła krystalizacji. Na podstawie otrzymanej funkcji ciepłą spektralnego podano metodę określania temperatur początku i końca krystalizacji eutektycznej. Hipotezę zweryfikowano przez porównanie symulacji komputerowej z rzeczywistą próbą odlewania testowych płytek żeliwnych. 1. WSTĘP Żeliwo jest metalem szeroko wykorzystywanym w praktyce przemysłowej. Istnieje bardzo wiele różnych gatunków żeliwa ze względu na zawartość węgla jak i dodatków stopowych. W zależności od gatunku proces krystalizacji żeliwa może przebiegać w odmienny sposób. Podobnie, warunki krzepnięcia również wpływają na sposób krystalizacji. Jednym z ważniejszych parametrów jest szybkość (lub czas) krystalizacji. Zależy ona od kształtu odlewu oraz parametrów cieplnych formy. Zwiększanie szybkości krystalizacji powoduje powstanie skłonności do powstawania struktury zabielonej żeliwa [1]. W praktyce przemysłowej stosuje się próbę klinową pokazującą zależność pomiędzy grubością zabielenia klina a jego strukturą. Struktura biała żeliwa pochodzi od cementytu który powstał w pierwotnej fazie krystalizacji dendrytycznej i nie uległ rozpadowi na grafit i żelazo γ. 1 Dr inż. e-mail: zjura@silesia.pik-net.pl
160 2. CZAS KRYSTALIZACJI EUTEKTYCZNEJ Zakładamy że do rozpadu cementytu w trakcie krystalizacji eutektycznej niezbędny jest określony czas. Jednak do określenia tego czasu niezbędne jest przyjęcie parametru jednoznacznie definiującego zarówno moment rozpoczęcia jak i zakończenia krystalizacji. Wskazanym jest aby parametr ten można było łatwo wykorzystać zarówno przy pomiarach jak i komputerowych symulacjach odlewania. W celu określenia tego parametru wykorzystano funkcję ciepła spektralnego krystalizacji. Dzięki możliwości wyznaczenia tego ciepła na podstawie próby ATD [2], oraz dodatkowo możliwości rozdzielenia na fazę dendrytyczną i eutektyczną można w sposób precyzyjny określać temperatury przemian. Na rys. 1 pokazano wykres ciepła spektralnego z podziałem na dwie fazy. 5000 Qk [J/kgK] 4000 Krystalizacja eutektyczna 3000 2000 1000 Krystalizacja dendrytyczna 1000 1100 1200 1300 1400 T [ C] Rys. 1. Funkcja spektralnego ciepła krystalizacji z podziałem na fazę dendrytyczną i eutektyczną Fig. 1. Dendrite and eutectic spectral heat of crystallization Do obliczenia czasu krystalizacji eutektycznej niezbędne jest zdefiniowanie momentu początku i końca tej krystalizacji. W przyjętym modelu cieplnym wykorzystuje się spektralne ciepło krystalizacji. Najwygodniejszym parametrem definiującym ten moment jest przekroczenie określonej temperatury. Temperaturą bazowa jest temperatura maksimum efektu cieplnego (Tmax) pokazana na rys. 2. Temperatura ta dzieli wykres na dwie niesymetryczne części. Temperatury początku i końca krystalizacji eutektyki (odpowiednio Tp i Tk) dzielą funkcję tak aby zachowana była następująca zależność:
161 Q p1 Q p2 Qk1 = Qk2 = k (1) gdzie: Q p1, Q p2 ilość ciepła wydzielana powyżej temperatury maksimum, Q k1, Q k2 ilość ciepła wydzielana poniżej temperatury maksimum, k współczynnik efektywnego oddawania ciepła krystalizacji eutektycznej (k=0,75). 5000 Qk [J/kgK] Tk Tmax Tp 4000 3000 2000 Q k1 Q p1 1000 Q k2 Q p2 1000 1050 1100 1150 1200 T [ C] Rys. 2. Definicja temperatur początku i końca krystalizacji eutektycznej Fig. 2. Definitions of eutectic crystallization start and finish temperature Tak przyjęta definicja jest wygodna w praktycznej realizacji numerycznej. Otrzymane temperatury pozwalają na wyznaczenie czasu krystalizacji eutektyki. W tym celu wykorzystano program do symulacji komputerowej ColdCAST. Istotnym jest aby do programu wprowadzić funkcję spektralnego ciepła krystalizacji. Samo określenie przedziału temperatur nie determinuje czasu krystalizacji. Czas ten zależy również od ilości ciepła wydzielającego się pomiędzy tymi temperaturami. W programie symulacji zastosowano model entalpowy do rozwiązywania równania przepływu ciepła [3]. Pozwoliło to na wygodne uwzględnienie funkcji spektralnego ciepła krystalizacji w obliczeniach.
162 3. WERYFIKACJA HIPOTEZY W celu sprawdzenia poprawności hipotezy przeprowadzono analizę dla stopu żeliwa bez modyfikacji i po modyfikacji żelazokrzemem. Skład chemiczny próbek został przedstawiony w tabel 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanych stopów. Table 1. Chemical conditions of investigated alloys Lp C Si Mn P S Cr Ni V Cu Ti Mg 12-1 2,67 1,50 0,26 0,174 0,023 0,14 0,05 0,028 0,09 0,005 0,002 12-2 2,60 1,89 0,27 0,18 0,024 0,16 0,05 0,029 0,118 0,005 0,004 Dla obu stopów wykonano próbę ATD oraz odlano zestaw płytek testowych o kilku określonych grubościach. Na podstawie próby ATD określono funkcje spektralnego ciepła krystalizacji. Następnie określono zgodnie ze wzorem (1) temperatury początku i końca krystalizacji dla obu próbek. Na rys. 3 i 4. pokazano przebieg funkcji spektralnego ciepła krystalizacji z naniesionymi temperaturami Tp i Tk. Kolejnym etapem było przełamanie płytek testowych. Przełomy zostały pokazane na rys.5. Rys. 3. Spektralne ciepło krystalizacji i temperatury Tp, Tk dla stopu 12-1 Fig. 3. Spectral heat of crystallization and temperature Ts, Tf for 12-1 test alloy
163 Rys. 4. Spektralne ciepło krystalizacji i temperatury Tp, Tk dla stopu 12-2 Fig. 4. Spectral heat of crystallization and temperature Ts, Tf for 12-2 test alloy 12-2 Struktura żeliwa: 12-1 12-2 20mm 15 mm Szara Biała Połowiczna 12-1 Rys. 5. Przełomy próbek o grubości 20 i 15 mm dla stopu żeliwa 12-1 i 12-2 Fig. 5. Fracture of specimens 20 and 15 mm for test alloy 12-1 and 12-2
164 Do programu symulacyjnego został wprowadzony model geometryczny odpowiadający wykonanym odlewom płytek testowych. Przeprowadzono obliczenia dla obu stopów żeliwa. W wyniku przeprowadzonych obliczeń otrzymano wykresy izochron dla analizowanych przekrojów. Na rys. 6 i 7 pokazano wykresy dla obu próbek. Rys. 6. Wykres izochron dla próbek 20 i 15mm dla stopu 12-1 Fig. 6. Isochronal diagram of specimen 20 and 15mm for 12-1 test alloy Ponieważ próbę przeprowadzono dla tego samego stopu bez modyfikacji oraz modyfikowanego żelazokrzemem otrzymano wyraźnie inny rozkład ciepła spektralnego. Miało to oczywiście istotny wpływ na otrzymane struktury przełomów, oraz znalazło to odbicie w wynikach symulacji. Zastosowanie modyfikatora w praktyce przemysłowej prowadzi do zmniejszenie skłonności żeliwa do tworzenia struktury zabielonej.
165 Rys. 7. Wykres izochron dla próbek 20 i 15mm dla stopu 12-2 Fig. 7. Isochronal diagram of specimen 20 and 15mm for 12-2 test alloy 4. ANALIZA WYNIKÓW I WNIOSKI Na zaprezentowanych wykresach można zidentyfikować graniczny czas potrzebny na rozpad cementytu. Dla analizowanego stopu 12-1 czas ten wynosi około 65 sek. natomiast dla stopu 12-2 czas wynosi około 35 sek. Różnica w otrzymanych czasach granicznych wynika ze zmiany składu chemicznego oraz modyfikacji stopu żelazokrzemem w przypadku stopu 12-2. Dodanie modyfikatora istotnie zwiększyło skłonność do tworzenia struktury szarej żeliwa. Otrzymano izochrony o kształcie zbieżnym z kształtem granicy zabielenia dla rzeczywistych próbek. Jest to istotna wskazówka poprawności przyjętego modelu. Można zauważyć że kształt ten jest zaokrąglony przeciwnie do brzegu płytki, pomimo sugestii że obszar w pobliżu brzegu próbki powinien krystalizować najszybciej. Otrzymane wyniki świadczą o słuszności przyjętej hipotezy i pozwalają na dalszy rozwój metody.
166 LITERATURA [1] Z. Jura, Metoda określania ciepła spektralnego krystalizacji na podstawie próby ATD. Przaca doktorska Częstochowa 1998. [2] C. Podrzucki, Żeliwo - struktura, właściwości, zastosowania. Wydawnictwo ZG STOP Kraków 1991 [3] Mochnacki, J. S. Suchy, Numerical methods in computations of foundry processes. Polish Foundrymen s Technical Association, Kraków 1995. SUMMARY DETERMINATION OF CRYSTALLIZATION TIME AND WHITE CAST IRON STRUCTURE INTERRELATION In this article we made a hypothesis of strict connection between time of eutectic crystallization of cast iron and hard spots degree. Time of crystallization can be defined thanks to data from ATD test as well as by using the method of spectral heat crystallization definition. The spectral heat function became a basis for definition method of start and finish temperatures of eutectic crystallization. This hypothesis has been verified by comparison of computer simulation with the real test of cast iron plates casting. Reviewed by prof. Józef Gawroński