- Archives of Foundry Engineering

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2)
ARCHIVES OF FOUNDRY
Year 2006, Volume 6, No 18 (2/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
90/18
GRADIENTOWA STRUKTURA ŻELIWA SFEROIDALNEGO
E. FRAŚ1, M. GÓRNY1, H. LOPEZ2
AGH - University of Science and Technology, Reymonta 23, 30-059 Cracow, Poland
2
University of Wisconsin-Milwaukee, 3200 N. Cramer, Milwaukee, WI 53201, USA
1
STRESZCZENIE
Badania wykonano z wykorzystaniem super cieńkościnnych odlewów z żeliwa
sferoidalnego. Określono ich strukturę oraz gradienty: gęstości kulek grafitu, udziału
ferrytu oraz eutektyki cementytowej. Przedstawiono podstawy teoretyczne spadku
temperatury w odlewach oraz jego związku z kształtowaniem się gradientów
strukturalnych. Wyniki obliczeń teoretycznych zweryfikowano doświadczalnie oraz
obliczono także absolutną wartość skłonności żeliwa do zabieleń.
Key words: ductile cast iron , gradient materials
1. WPROWADZENIE
Zaawansowane zastosowania konstrukcyjne wymagają wielofunkcyjnych
elementów roboczych, posiadających
więcej niż jedną własność użytkową.
Spowodowało to rozwój nowych materiałów zwanych materiałami gradientowymi [1].
Żeliwo sferoidalne, charakteryzuje się dużą wrażliwością na szybkość stygnięcia, co w
konsekwencji prowadzi do gradientów strukturalnych Gx, czyli ciągłej zmiany cech
strukturalnych żeliwa (a zatem i właściwości) wzdłuż jednego z jego wymiarów. W
ostatnim okresie czasu wzrasta zapotrzebowanie na super cienkościenne odlewy z
żeliwa sferoidalnego o grubości ścianki poniżej 3 mm, zapewniających wysoki stosunek
wytrzymałości do masy odlewu [2]. Celem niniejszej pracy jest uwzględnienie tych
dwóch nowych tendencji rozwoju materiałów, poprzez zbadanie kształtowania się
gradientów strukturalnych w odlewach super cieńkościennych.
2. METODYKA BADAŃ
Do badań wykorzystano żeliwo sferoidalne wytopione w piecu indukcyjnym,
które odlewano do form piskowych odtwarzających płytki o grubości s = 0,15 cm i
długości 20.0 cm. W belce żużlowej umieszczono termoelement Pt/Pt Rh w celu analizy
termicznej i pomiaru początkowej temperatury żeliwa Tp, która wynosiła 1280 oC. Przy
tej temperaturze długość Z otrzymanych próbek była mniejsza, niż długość wnęki
formy. Z pomiarów wynika, że średnia długość Z =17,5 cm. Po przecięciu płytek
wzdłuż długości, wykonano typowe badania metalograficzne, które pozwoliły określić
gęstość kulek grafitu N (mm-2) oraz udziały ferrytu ff i eutektyki cementytowej fc,
39
zależnie od odległości x mierzonej od belki żużlowej do końca płytek. Do przeliczenia
powierzchniowej gęstości kulek grafitu na gęstość objętościową Nv, wykorzystano
równanie Wiencka [3] i znajomość udziału grafitu w żeliwie fg.
Nv =
N3
fg
(1)
3. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH I ICH DYSKUSJA
Wyniki badań doświadczalnych aproksymują następujące równania
Gęstość kulek grafitu, (współczynnik korelacji R = 0,97)
N = 2451 + 4,75 exp(0,36 x )
(2)
Gradient gęstości kulek grafitu
G N = dN / dx = 1,71 e0,36 x
(3)
Udział ferrytu (współczynnik korelacji R = 0,98)
f f = 24,78 − 2,89 x + 0,29 x 2 − 0,01 x 3
(4)
Gradient udziału ferrytu
G f f = df f / dx = 0,58 x − 0,03 x 2 − 2,89
Udział eutektyki cementytowej (współczynnik korelacji R = 0,94)
f c = 21,08x − 341,1
Gradient udziału eutektyki cementytowej
G f c = df c / dx = 21,08
(5)
(6)
(7)
Z badań doświadczalych wynika, że istnieje krytyczna odległość w odlewie xcr =16,2
cm, przy której następuje przejście od krystalizacji żeliwa szarego do połowicznego. W
obszarze żeliwa szarego, gęstość kulek N się powiększa, a udział ferrytu ff maleje,
wraz ze wzrostem odległości x. W obszarze żeliwa połowicznego, zwiększanie
odległośći x, oznacza zwiększanie się udziału eutektyki cementytowej. We wszystkich
przypadkach w miarę powiększania odległości x, zwiększają się również gradienty
strukturalne. G N , G f f i G f c .Można wykazać [4], że temperaturę ciekłego metalu Ti
wewnątrz strugi, określa następujące równanie
⎡ 4a ⎛ Z− x
Z ⎞⎟⎤
⎜
(8)
−
Ti = Tp exp ⎢
⎥
⎜
u
u ⎟⎠⎦⎥
⎣⎢ π c s ⎝
gdzie: a - współczynnik akumulacji ciepła formy, c - ciepło właściwe matalu, u prędkość przepływu metalu.
Z równania (8) wynika, że największy spadek temperatury Ti występuje w metalu na
czole strugi. Dlatego też czas odprowadzania ciepła przegrzania z czoła strugi jest
40
najkrótszy, i krystalizuje ono w pierwszej kolejności, powodując zatrzymanie się
strugi na odległości Z. Krzywe stygnięcia żeliwa w kilku punktach x ≤ Z pokazuje
schemat na rys.1 Odpowiadające tym punktom krzywe stygnięcia żeliwa, wykazują
coraz wyższą temperaturę przemiany eutektycznej Tm, w miarę zmniejszania się
odległości x.
Czoło strugi
Z
u
Tp
Temperature
Wnęka
formy
Ti
Ts
Tm,1
Tm,2
∆Tsc
Tm,3
Tc
x1
x2
x3
x
Rys. 1. Zmiana temperatury w ciekłym żeliwie oraz
krzywe stygnięcia żeliwa
Fig. 1. Temperature changes in liquid cast iron and
cooling curves
Gęstość kulek grafitu Nv i minimalną temperaturę Tm krystalizacji eutektyki grafitowej,
określają równania [4]
Ns
(9)
N=
exp[2 ProductLog(y )]
b
(10)
Tm = Ts −
2 Pr oductLog [ y]
gdzie:
⎡
⎢
bc⎢
y=
4 ⎢
⎢
⎢⎣
1/ 2
⎤
⎛
T ⎞ T
⎜ 0,41 + 0,93 ln i ⎟ ln i Le N s s3 ⎥
⎟
⎜
Tc ⎠ Tc
⎥
⎝
⎥
3
a
⎥
⎥⎦
1/ 4
⎛ π 5 D3 β 3 ⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
Tc3
⎝
⎠
(11)
Tc, Le, D,β, Ns, b - są zdefiniowane w tablicy 1.
Punkty na rys.2a pokazują wyniki badań doświadczalnych, zaś linia ciągła wyniki
obliczeń, zgodnie z równaniem (9). Warto zauważyć dość dobrą zbieżność wyników.
41
Po podstawieniu równania (8) do (11) a następnie do (9) i uwzględnieniu rów (1),
można go zróżniczkować względm x, i otrzymuje się gradient gęstości kulek
grafitu G N = dN / dx wzdłuż długości próbki x. Wyrażenie na G N jest bardzo
skomplikowane i dlatego wykorzystując dane z tablicy 1, podano tylko wyniki
numeryczne (krzywa 1 na rys. 2b). Dla porównania, na tym samym rysunku (krzywa
2) pokazano również gradient G N , wyznaczony na podstawie danych doświadczalych
(rów. (3)). Z rysunku wynika, że gradient kulek grafitu G N , osiąga największe wartości
na odległści xcr , przy której rozpoczyna się strefa żeliwa połowicznego.
Tablica 1. Dane termofizyczne
Table 2. Thermophysical data
Parametr
Wspólczynnik akumulacji ciepła materiału formy
Wartość i jednostka
a = 0,09-0,11; J/(cm2 s1/2 oC)
Ts = 1153,9+5,25 Si; oC
Tc = 1130 +4,1(C-3,3 Si); oC
Le = 2028,8; J/cm3
Równowagowa temepratura eutektyki grafitowej
Temperatura krystalizacjieutektyki cementytowej
Ciepło krystalizacji eutektyki grafitowej
Wspólczynnik dyfuzji węgla w austenicie
D = 3,9 x 10-6; cm2/s
Ciepło właściwe żeliwa
c = 5,95; J/(cm3 oC)
Współczynnik rozpuszczalności w układzie Fe-C-X
β = 0,00155; oC–1
Ns = 6,8 1010 ; cm-3
b = 285,4; oC
Nucleation coefficients of graphite
a)
b)
4500
600
szare
szare
zabielenia
GN, mm- 2 cm- 1
N , mm- 2
3500
3000
2500
400
2
300
200
100
1
xcr
2.5
5
zabielenia
500
4000
7.5 10 12.5 15 17.5
x, cm
2.5
5
xcr
7.5 10 12.5 15 17.5
x, cm
Rys. 2. Wpływ odległości x na nodule count, punkty dane doświadczalne (a) i gradient
NF, krzywa 1- wartości teoretyczne, krzywa 2- wartości doświadczalne (b)
Fig. 2. Influence of dystance x on nodule count NF , points – experimental data (a) and
gradient of NF, curve 1- values theoretical, curve 2- experimental values (b)
42
Wiadomo, że przy Tm = Tc, rozpoczyna się krystalizacja eutektyki cementytowej.
Uwzględniając ten warunek oraz równania (1), (8), (10) i (11), można obliczyć
krytyczną odległość xcr, przy której pojawiają się zabielenia w odlewie
x cr =
⎛ T ⎞⎤ ⎡
1 ⎧⎪
s⎡
0,44 c u ⎢ A − ln ⎜ c ⎟ ⎥ ⎢ 4 a
2⎨
⎜ Tp ⎟ ⎥ ⎢
2⎢
a ⎪
⎝ ⎠⎦ ⎣
⎣
⎩
⎞⎤ ⎫⎪
Z
s ⎛T
+ c ln ⎜ c − A ⎟⎥ ⎬
⎟⎥
u
2 ⎜⎝ Tp
⎠⎦ ⎪⎭
(12)
gdzie
A = 0,22 − 0,54
0,17 +
0,8 a 3 Tc3 / 2
c 2 Le s3 β 1 / 2
CT3
(13)
CT – skłonność żeliwa do zabieleń
1/ 6
⎞
⎛
1
CT = ⎜ 2 2 3 4 ⎟
⎜ N β D ∆T ⎟
sc ⎠
⎝ s
⎛ b ⎞
⎟
exp ⎜⎜
⎟
⎝ 3∆Tsc ⎠
(14)lub znając krytyczną gęstośc kulek grafitu Nv,cr przy temperaturze Tc
1/ 6
⎛
⎞
1
⎟
CT = ⎜ 2
2 3
4 ⎟
⎜N
β
D
∆
T
sc ⎠
⎝ v,cr
(15)
Skłonność żeliwa do zabieleń, obliczona zgodnie z równaniem (14) dla danych z tablicy
1, wynosi CT = 0,34 s1/2 /oC1/3, a krytyczna długość próbki xcr = 16,08 cm (rów. (12)(14)). Z doświadczenia wynika, że przy gęstości kulek grafitu N = 3966 mm-2, (Nv =
66752 mm-3), zaczynają się pojawiać w próbce zabielenia. W związku z tym można
przyjąć Nv = Nv,cr i zgodnie z rów. (15) dla danych z tablicy 1, otrzymuje się CT = 0,32
s1/2 /oC1/3 , co po wykorzystaniu rów. (12), (13) i (15)), pozwala obliczyć xcr = 16,4 cm.
Warto zauważyć, że obie obliczone wartości
xcr, są zbliżone do wyniku
doświadczanego xcr = 16,2 cm.
17.5
15
xcr , cm
12.5
10
szare
zabielone
7.5
5
Rys. 3. Wpływ skłonności żeliwa do zabieleń
CT na krytyczną długość xcr odlewu
Fig. 3. Influence of chilling tendency on critical
distanece xcr
2.5
0.3
0.35
0.4
0.45
CT, s1 2 oC- 1 3
0.5
43
W praktyce odlewniczej, skłonność żeliwa do zabieleń najsilniej zwiększa zabieg
modyfikacjima oraz powiększanie współczynnika nasycenia eutektycznego. Na rysunku
3 pokazano wpływ skłonności żeliwa do zabieleń CT na krytyczną długość próbki xcr ,
przy której pojawiają się zabielenia, lub inaczej - eutektyka cementytowa. Z rysunku
wynika, że w odlewie płytki o grubości s = 0,15 cm, żeliwo będzie szare, gdy jego CT =
0,3 s1/2 /oC1/3 zaś połowiczne, gdy CT = 0,47 s1/2 /oC1/3.
WNIOSKI
1. Wykazano, że pomimo stałej grubości ścianki s w odlewach super cieńkościennych,
występują duże gradienty: gestości kulek grafitu, ferrytu i cementytu.
2. Wyniki badań doświadczalnych są dość dobrze zgodne z wynikami obliczeń
teoretycznych.
LITERATURA
[1] M. Koizumi, Recent Progress of Functionaly Gradient Materials in Japan ,
Ceramic Engineering and Science Proceedings,1992, vol.14, p.333.
[2] D.M.Stefanescu, R. Ruxanda, L.P. Dix, “The metallurgy and tensile mechanical
properties of thin wall spheroidal graphite irons,” Int. J. Cast Metals Research,
2004, vol.117, p.759.
[3] K. Wiencek, J.Ryś, “ The estimation of Fe3C particle density in steel by simple
counting measurements made in plan sections,” Materialas Engineering, 1998,
No.3, p.396.
[4] E Fraś , M. Górny, H. F. López.: Eutectic Transformation in Ductile Cast Iron
Part I-Theoretical Bacground, Metallurgy and Foundry Engineering, 2005, vol.31,
Nr. 2, p. 113.
GRADIENT STRUCTURE OF DUCTILE IRON
SUMMARY
Researches using super thin-walled castings made of ductile iron were made. Structure
and gradients of density of graphite nodules, ferrite and cementite eutectic fraction were
determined. It has been presented theoretical basis of temperature drop in castings and
its relationship with the formation of gradients in structure. Results of theoretical
computations were experimentally werified and also the absolute value of chilling
tendency was calculated.
Praca wykonana w ramach grantu PBZ/KBN-100TO8 2004.
Recenzował: Prof. Edward Guzik
44