6/14 Archives of Foundry, Year 004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN 164-5308 MODELOWANIE KINETYKI AUSTENITYZACJI ŻELIWA SFEROIDALNEGO PERLITYCZNEGO STRESZCZENIE W. KAPTURKIEWICZ 1 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 3, 30-059 Kraków Austenityzacja jest pierwszym etapem obróbki cieplnej odlewów dla uzyskania żeliwa o strukturze ausferrytycznej, czyli w technologii ADI. W niniejszej pracy prze d- stawiono model matematyczny procesu austenityzacji żeliwa sferoidalnego o osnowie perlitycznej. Opracowano program numeryczny, z pomocą którego wyznaczono kinet y- kę wzrostu austenitu oraz zanikania cementytu w płytce perlitu podczas austenityzacji, obliczono niestacjonarne pole stężenia węgla w rozpatrywanym układzie oraz określono wpływ temperatury procesu oraz rozdrobnienia perlitu na czas pełnej austenityzacji wyjściowej struktury perlitycznej. Key words: modeling, austenitization, pearlite, ductile iron, ADI 1. WSTĘP Austenityzacja, jako pierwszy etap obróbki cieplnej odlewów dla uzyskania żeliwa ADI polega na wygrzewaniu odlewów w temperaturze w granicach 800-950 0 C, dla uzyskania austenitycznej osnowy struktury, jako punktu wyjścia do struktury ausferrytyc z- nej. Według danych literaturowych [1-7], temperatura i czas austenityzacji mają wpływ na parametry struktury i parametry wytrzymałościowe tworzywa po końcowych zabiegach, czyli po hartowaniu izotermicznym. Zbyt krótki czas austenityzacji może być p o- wodem niepełnej przemiany perlitu w austenit, a konsekwencji pozostawienie nieprzetworzonej struktury, niekorzystnie oddziaływującej na parametry żeliwa ADI. Niezbę d- ny i optymalny czas austenityzacji bardzo istotnie zależy od rodzaju osnowy (perlityc z- na, ferrytyczna lub z udziałem obu tych składników strukturalnych), a także od rozdrobnienia struktury. 1 prof. dr hab. inż., kapt@agh.edu.pl
04 Przedstawiono model matematyczny przemiany perlit austenit oraz w oparciu o ten model opracowano program numeryczny dla modelowania tej przemiany. Dyspon u- jąc takim programem komputerowym, możliwe jest, dla założonych parametrów technologicznych (temperatura austenityzacji, struktura wyjściowa, skład chemiczny) wyznaczenie optymalnego czasu austenityzacji. W pierwszym etapie pracy ujęto proces austenityzacji dla osnowy perlitycznej w wyjściowym żeliwie sferoidalnym. Weryfikacją modelu i programu w pierwszym etapie jest logiczna poprawność jego działania oraz sprawdzony bilans masy. W następnym etapie przewiduje się weryfikację d o- świadczalną. Należy zaznaczyć, że jest to pierwsza, publikowana w literaturze próba modelowania procesu austenityzacji żeliwa sferoidalnego.. MODEL PROCESU Biorąc pod uwagę fakt, iż wymiar płytki perlitu jest o kilka rzędów mniejszy od odległości pomiędzy kulkami grafitu, możemy przyjąć, że wzrost austenitu odbywa się bez dyfuzyjnego oddziaływania węgla zawartego w graficie. Do rozważań modelowych wzięto pod uwagę połowę płytki cementytu i ferrytu, umownie traktowanych sumarycznie jako płytka perlitu o grubości X prl. W modelu pomija się wpływ innych, poza węglem dodatków stopowych, których uwzględnienie przewiduje się w następnym etapie pracy. Przyjmuje się również, że austenit zarodkuje w postaci płytki pomiędzy c e- mentytem i ferrytem na całej długości w początkowym momencie procesu austenityzacji. Punktem wyjścia do rozważań jest układ Fe-C (rys. 1), na którym naniesiono charakterystyczne punkty równowagi międzyfazowej. Punkty te pokazano również na schemacie płytki perlitu (rys. ), w której występuje już, na pewnym etapie wzrostu, płytka austenitu. %C 91 0 6.67 C Tγ Ccem C Cα/γ Fe3C α m γ Cγ/α Cγ/cem 0.76 γ Cγ/cem C Cγ/α 77 0 C Cα/γ α Ccem %C 6.67 Ccem Fe3C m Cγ/cem γ α Cα.0 α+fe3c Cα.0 Cγ/α Cα/γ T0 Cα.0 Xcem Xγ Xα Xprl Rys. 1. Schemat układu metastabilnego Fe-Fe 3 C Fig. 1. Scheme of metastable equilibrium diagram for Fe-Fe 3 C. 6.67 %C Xcem Xγ Xα Xprl Rys.. Schemat rozkładu stężenia węgla w płytce perlitu podczas austenityzacji Fig.. Scheme of carbon concentration in pearlite plate during austenitization.
05 Proces jest kontrolowany poprzez dyfuzję węgla, przy czym powodem gradientów stężenia jest zmiana temperatury z początkowej (w której płytka perlitu jest w stanie równowagi temperatura pokojowa) na temperaturę austenityzacji. Zakładamy, że cementyt, jako składnik perlitu, ma stałą zawartość węgla (6,67% mas.), natomiast gradienty stężenia mogą występować w ferrycie oraz w rosnącym a u- stenicie. Zestaw równań procesu w tym przypadku można zapisać: dla fazy α (ferryt): C C D (1) dla fazy γ (austenit): C C D () Bilans masy na granicy cementyt faza γ (rys. ): C u / cem C cem cem C / cem D (3) cem / i na granicy faza γ faza α (rys. ): C C u / C / C / D D / (4) Warunek na granicy ziarna: C 0 (5) X prl Do rozwiązania układu zastosowano metodykę zmiennej siatki, opisaną w [8,9] oraz metodę różnic skończonych. 3. REZULTATY OBLICZEŃ MODELOWYCH Obliczenia przeprowadzono dla przykładowych parametrów: wymiar płytki perlitu 5,0 mikrometrów, współczynniki dyfuzji węgla, odpowiadające temperaturze aust e- nityzacji 850 0 C: D α =.36 10-6 i D γ = 4.54 10-8 cm /s [9]. Przyjęto według [10], że początkowo w perlicie płytka ferrytu jest 3-krotnie większa niż płytka cementytu. Rys. 3 pokazuje kinetykę wzrostu austenitu wraz ze zmniejszaniem wymiaru ferrytu i cementytu, stanowiących składniki perlitu. Całkowity czas austenityzacji w tej temperaturze wyniósł 136 sekund. Szybkość zanikania ferrytu i cementytu jest zróżnicowana, co widoczne jest na rys. 4. W początkowym etapie procesu szybkość wzrostu austenitu i równocześnie zanikania ferrytu (ujemna wartość) jest największa, przy niewielkiej szybkości zaniku cementytu. W następnym etapie proces spowalnia się, by pod koniec znowu zwiększyć się, szczególnie w odniesieniu do zanikania cementytu. /
Szybkość wzrostu faz, cm/s Względny wymiar płytki Wymiar płytki, m 06 1.0 5.E-06 0.8 austenit 4.E-06 0.6 3.E-06 0.4 0. ferryt cementyt.e-06 1.E-06 0.0 0 5 50 75 100 15 150 Czas, s Rys. 3. Wzrost austenitu oraz zanikanie ferrytu i cementytu w płytce perlitu podczas austenityzacji Fig. 3. Austenite growth and decreasing of ferrite and cementite in pearlite plate during austenitization. 0.E+00 1.5E-04 1.0E-04 5.0E-05 0.0E+00 austenit cementyt -5.0E-05 ferryt -1.0E-04-1.5E-04 0 5 50 75 100 15 150 Czas, s Rys. 4. Szybkość wzrostu austenitu i zanikania ferrytu i cementytu Fig. 4. Velocity of austenite growth and decreasing of ferrite and austenite Na rys. 5 pokazano zróżnicowanie prędkości przesuwania s ię granic międzyfazowych w austenicie. Od strony ferrytu prędkość granicy międzyfazowej jest wyraźnie większa niż od strony cementytu, jednak pod koniec procesu sytuacja się odwraca. Jak widać z powyższych rysunków, proces austenityzacji ma charakter niest a- cjonarny, co potwierdza również zmienne w czasie pole dyfuzji rys. 6. Po początkowym podziale układu na cementyt i ferryt, pomiędzy tymi fazami wzrasta austenit z niestacjonarnym polem stężenia węgla. Stężenie węgla w ferrycie z początkowej niższej wartości podwyższa się do wartości, odpowiadającej równowagowemu stężeniu C α/γ (rys. 1) i pozostaje na tym poziomie. Brak zauważalnego gradientu stężenia w ferrycie wynika przede wszystkim z wielokrotnie większej wartości współczynnika dyfuzji węgla w ferrycie niż w austenicie. Jak wspomniano we wstępie, czas i temperatura austenityzacji mają istotny wpływ na parametry tworzywa. Z rezultatów modelowania rys. 7 widoczna jest istotna zależność pełnego czasu austenityzacji (czasu dla uzyskania w pełni osnowy austenitycznej) zarówno od temperatury procesu, jak i wyjściowej struktury osnowy, czyli
Czas pełnej austenityzacji, s Stężenie węgla, % mas. Prędkość granicy międzyfazowej, cm/s 07 w tym wypadku rozdrobnienia perlitu. Zbyt długi czas austenityzacji jest nieefektywny ekonomicznie, zbyt krótki powoduje nieuzyskanie zamierzonej struktury. 1.E-04 8.E-05 6.E-05 4.E-05.E-05 ferryt-austenit cementyt-austenit 0.E+00 0 5 50 75 100 15 150 Czas, s Rys. 5. Prędkość granic międzyfazowych po obu stronach płytki austenitu Fig. 5. Velocity of interface on either side of austenite plate. 1. 1.0 0.8 0s 40s 60s 80s 100s 10s 0.6 0.4 cementyt austenit ferryt 0. 0.0 0.0E+00 1.0E-03.0E-03 3.0E-03 4.0E-03 5.0E-03 Odległość w płytce perlitu, cm Rys. 6. Pole stężenia węgla podczas austenityzacji płytki perlitu Fig. 6. Carbon concentration during austenitization of pearlite plate 1000 800 600 400 00 800 0 C 850 0 C 900 0 C 0 0 4 6 8 10 Grubość płytki perlitu, mm Rys. 7. Czas pełnej austenityzacji w funkcji temperatury i grubości płytki perlitu Fig. 7. Time of full austenitization as a function of temperature and thickness of pearlite plate.
08 Praca wykonana w ramach projektu badawczego KBN nr 4T08B 057 5 LITERATURA [1] J.Achary, D.Venugopalan: Microstructural Development and Austempering Kinetics of Ductile Iron during Thermomechnical Processing. Metall. Mater. Trans. A, t. 31A, 000, s. 575-585. [] A.S.H.Ali, R.Elliott: Influence of austenitising temperature on austempering of an Mn-Mo-Cu alloyed ductile iron. Mater. Sci. Technol., t. 1, 1996, s. 101-1031. [3] U. Batra, P.Tandon, K.Kaur: A study of austenitization of SG iron. Bull. Mat. Sci., t. 3, 000, s. 393-398. [4] E. Dorazil: Bainitic Transformation of Austenite in Nodular Cast Iron. Sbornik Vysokeho Uceni Technickeho v Brne, 1979, 1-4, s. 43-80. [5] M. Nili Ahmadabadi, M.H. Parsa: Austenitisation Kinetics of Unalloyed Ductile Iron. Mater. Sci. Technol., t. 17, 001, s. 16-167. [6] S. Yazdani, R. Elliott: Influence of austenitising temperature on austempering kinetics, mechanical properties, and hardenability of ductile iron containing 0-13%Mo. Mater. Sci. Technol., t. 15, 1999, s. 541-546. [7] E. Guzik: Procesy uszlachetniania żeliwa. Archiwum Odlewnictwa, PAN, Katowice (001). [8] W. Kapturkiewicz: Modelowanie krystalizacji odlewów żeliwnych. Wyd. Naukowe AKAPIT, seria Monografie, Kraków (003). [9] W. Kapturkiewicz, A.A. Burbelko, J. Lelito, E. Fraś: Modeling of ausferrite growth in ADI. Int. J. Cast Metals Res., t. 16, 003, nr 1-3, s. 87-9. [10] C. Podrzucki: Żeliwo. Struktura, właściwości, zastosowanie. Wyd. ZG STOP, Kraków (1991). SUMMARY MODELING OF AUSTENITIZATION KINETICS IN PEARLITIC DUCTILE IRON Austenitizing is the first stage of heat treatment of castings to obtain cast iron characterized by ausferritic structure, otherwise called ADI. This study describes a mathematical model of the process of austenitizing ductile iron of pearlitic matri. A numerical program has been developed by means of which the kinetics of austenite growth and cementite decay in pearlite lamella during austenitizing have been dete r- mined. A non-stationary carbon concentration field in the eamined system has been computed, and the effect of process temperature and of pearlite grain refinement on the time of complete austenitization of the base pearlitic structure have been determined. Recenzowała Prof. Ewa Majchrzak