ANALIZA WZROSTU ZORIENTOWANEJ EUTEKTYKJ GRAFITOWEJ

ANALIZA WZROSTU ZORIENTOWANEJ EUTEKTYKJ GRAFITOWEJ

22/10
Solidification ol' Metais and Allnys, No 22, 1995
Krzepniecie Metali i Stop6w, Nr 22, 1995
PAN - Oddział Katowice
PL ISSN 0208-9386
ANALIZA WZROSTU ZORIENTOWANEJ EUTEKTYKJ
GRAFITOWEJ W ŻELIWIE
GUZfK Edward
WydziaJ Odlewnictwa Akademii Gómiczo- Hutniczej
30 - 059 Kraków, Reymonta 23, POLAND
STRESZCZEN[E
przedstawtono wyniki badań kierunkoweJ krysta lizacji stopu fe-C.
zbudowane urządzenie do kierunkowej kiystalizacji typu Bridgmana, ustalono
z wtązek międ zy parametrem geometrycznym eutek--tyki A (odległość międ zyplytkowa),
a prędkościąjej wzrostu v . W miarę zwiększania prędkości wzrostu v (8,33 · 10-'"' 1, 11 ·10-'
cm/s), obserwuJe się zmniejszenie wartości parametru A (1\,=5,09·1 o-'·1• 0·\ Stosując technik ę
zamrażania próbek, odtworzono kształt n·ontu krystalizacji eutektyki oraz pokazano wyraźnie
wyprzedzeme płytki grafitu (faza ścianowa) względem austenitu y (faza nieścianowa) .
W
pracy
Wykorzystując
l.WPROWADZENIE
Proces krystalizacji eutektyki grafitoweJ ustala zasadniczo st rukturę , a przez to
podstawowym tworzywem w przemyśle budowy
różnych maszyn i urządzeń . Poznanie mechanizmu krystalizacji tej eutektyki, przy jeJ
różnorodności mÓrfologicznej, chemtczneJ i fazoweJ, umożliwia w sposób . świadomy
sterowanie tym procesem w celu uzyskania optymalnej struktu ry stopu .
Eutektyka y(Fe) - grafit występująca w stopach Fe-C zaliczana jest do typu śc ianowo - nieśc ianowej (z ang. faceted - nonfaceted), a opierając się na geometrii faz, do eutektyki typu
nieregularnej (anormalneJ) . Stwierdzono, że eutektyki nieregularne (ścianowo - nieścianowe)
wzrastają przy vyiększym przechłodzeniu w porównaniu do eutektyki regularnej (nieścianowo ­
nieścianowej) 1 charak--teryzują się większą odległością międzypłytkową Ą (Ą - grubość dwóch
faz eutektycznych). Wynika z tego, iż modelowanie struktury eutek--tyki nieregularnej w żeliwie
napotyka pewne trudności związane z krystalizacją dwóch odmiennych faz . Kinetyka wzrostu
fazy ścianowej (płytki grafitu) zależy od defektów krystalograficznych, a powstające
odgałęzienia wzrastają w swoich kierunkach krystalograficznych, które są niezgodne z kierunkiem przepływu ciepła . Zjawisko to ogranicza średn ią odległość międzypłytkową
(X=""{A.I + A.2} 0,5), co pokazuje rys. l [1 ,2].
właściwości użytkowe żeliwa będącego
89
a)
b)
Ciecz
/,,
Rysu nek l. Struktu ra eutektyki grafitoweJ (a) [3] oraz schemat frontu krystalizacji i struktury
eutektyki nieregularn eJ (b) [l J
Procesy zachodzące na pow1erzchni rozdziału ciecz - fazy eutektyczne, zwaneJ frontem
k1ystalizacJi, prowadzą do powstani a Jednej z wspomnianych odmian eutektyki . O ile znane
modele wzrostu eutektyki regularneJ , w tym ogól nie znana teoria Tillera [4] i Jacksona, Hun ta
[S] p ozwa laJą z zado wa l ającą dokładnością wyznaczyć odległość międ zypłytkową tej eutektyki
z za leżności
f... = ~K2 1 K, · v 0 ·'
gdzie
(l)
K 1. K, - stałe materialowe stopu,
v- prędko ść wzrostu eutektyki,
to modelowanie wzrostu eutektyki nieregularnej , do któreJ zaliczarny eutektykę grafitową jest
ni eco trudniejsze WystępuJe tu bowiem zJaWisko rozgałęziania się płytki grafitu w czasie,
kiedy os iąga się maksymalną wa11ość parametru /...2 (patrz rys. l), zaś średnie wartości
od l egł ości międzypłytkoweJ /... tej eutektyki są znacznie mnieJsze od wartości uzyskiwanych
w eutektyce regul arneJ, np . Al - Cu czy Al - Ni . W analizie ksztahowania struktury eutektyki
nieregularneJ , uwzględnia się niekiedy wpływ gradientu temperatury w cieczy na rroncie
krystalizacJi G [l], natomiast znany ogólnie zapis prawa wzrostu podany przez Magnina
i Kurza [2] zawiera specjalny parametr korekcyjny et>;
(2)
Celem niniejszeJ pracy Jest poznanie struktury zorientowanej eutektyki grafitoweJ oraz jeJ
ksztahu rrontu krystalizacji w zależności od prędkości wzrostu v, co pozwoli w większym
stopniu rozwinąć teorię wzrostu tej eutektyki nieregularnej .
90
2. METODYKA BADAŃ
Do weryfikacJi modeli wzrostu eutektyki wykorzystuje się z powodzeniem technikę
kierunkowej k.Iystalizacp stopów, umożliwiającą prowadzenre procesu wzrostu w warunkach
kontrolowanych, przy znaJomości gradientu temperatury w cieczy na froncie krystalizacji
1 prędkości wzrostu eutektyki, utożsamianeJ - w pierwszym przybliżeniu z prędkością
przemieszczania się frontu krystalizacji. Ponadto technika ta umożliwia dobre odwzorowanie
kształtu frontu k.Iystalizacji, co ma istotne znaczeme dla przyjęcia założeń w modelowaniu
róż nych rodzaji eutektyk
W celu zrealizowania założonego celu pracy, zbudowano specjalistyczne urządzenie do
kierunkowej krystalizacji typu Bridgmana z pionowym gradientem temperatury. Metoda ta
polega ogólnie ją definiując na roztopieniu całeJ masy metalu w formie, a następme ciągłym
wysuwaniu formy z pieca do ośrodka chłodzącego. Szczegóły konstrukcyJne zbudowanego
urządzenia oraz sposób przeprowadzenia kierunkowej krystalizacji zamieszczono w pracy [3].
Ogólnie, urządzenie do kierunkoweJ krystalizacJi zawiera trzy główne zespoły; piec oporowy
grzewczy, chłodnicę i mechanizm napędowy.
Stop Fe - C do dalszych badań w urządzemu do kierunkoweJ krystalizacji, sporządzono
z żelaza karbonylkowego i elektrod grafitowych. W piecu próżmowym firmy Balzers
sporządzono stop zawierający 4,4 % węgla (skład nadeutektyczny), a po odgazowaniu go
odlewano do specJalnych form, odtwarzaJących pręty, które następme po oszlifowamu
stanowiły wsad do kierunkoweJ krystalizacji
Sposób przeprowadzania kierunkoweJ krystalizacJi był następujący . Uzyskane pręty
wsadowe stopu umieszczono w cienkich rurkach wykonanych z rek.Iystalizowanego tlenku
glinu, które z kolei połączono z prętem pociągowym pieca. Dolny koniec rurki i pręta
wsadowego zanurzano w ciekłym stopie (temperatura topnienia - l5 "C) wypełniającym
chłodnicę . Po ustabilizowaniu zadaneJ temperatury w komorze roboczeJ p1eca T= 1450
(przy doprowadzeniu do wnętrza oczyszczonego argonu), uruchamiano mechanizm
napędowy. P ręt pociągowy wraz z próbką, przem i eszczał się ze stałą zada ną prędkością
oc
względem chł odnicy .
Stosowano prędkości przemieszczania próbki w zakresie 8,33 l o-j _,_ l, Ił
l o-' cm/s.
Gradient temperatury G w cieczy na froncie k.IystahzaCJi wynos1 195 K/cm Na okreś l oneJ
dł ugośc i zamrażano kierunkowo krystalizace próbk1, co umożliwiło utrwalenie kształtu frontu
krystalizacJi eutektyki grafitowej w zależności od parametru wzrostu eutektyki v W
zorientowaneJ części próbki dokonano pomiarów parametm geometrycznego A ukierunkowanej eutektyki y(Fe) + grafit Średnią odleglość międzypłytkową A wyznaczono jako
stosunek długości linii pomiarowych (równolegle ułożonych do frontu krystalizacji), do liczby
przecięć tych linii przez wydzielenia grafitu Metodę tą dla ukiemnkowanych eutektyk
zalecano w pracy [6).
3. ·WYNIKI BADAŃ I l CH ANALIZA
Badania metalograficzne stopu wyjścio wego do kiemnkoweJ k.IystalizacJi odlanego do formy
odlewniczej wykazały, iż stop nadeutektyczny Fe- C krystalizuje w układzie metastabilnym,
bowiem w strukturze obserwuje się wydzielenia eutektyki cementytowej (y+Fe3C) oraz przed-
91
a)
b)
c)
d)
Rysunek Z. Struktura i kształt frontu krystalizacji eutektyki grafitower a)- stop wyjściowy do
badań ~ b)- v = 8,33 · l O -l cm/s~ c)- l , 11 · l o-1 cm/s~ a, d) - zgłady trawione nitalem .
eutektycznego cementytu (rys. Za) W wyniku kierunkowej krystalizacji stopu Fe - C
i przeprowadzonego zabiegu "zamrażania" krystalizujących próbek, uzyskano różnorodną
strukturę i różny kształt frontu krystalizacji, którą dla przykładu pokazano na rys. Z Dla
danych warunków krystalizacJi i stężenia węgla, stop krystalizuje w zakresie strefy
s przężo n ego wzrostu eutektyki . Obserwacje zamrożonego kształtu frontu krystalizacji
wykazują, że faza wiodąca grafit wyprzedza fazę nieścianową, tj. austenit. Dla próbek
krystalizujących z większą prędkością, front krystalizacji w skali makroskopowej przestaje być
już płaski oraz obserwuje się efekt "narastania" (namrażania) austenitu na wiodącą płytkę
grafitu, co nieco zniekształca jego rzeczywisty kształt .
Wyniki analizy metalograficznej ilościowej, odległości międzypłytkowej w zorientowanej
eutektyce f.., w zależności od prędkości wzrostu v pokazano w sposób wykreślny na rys. 3, na
92
1E-2
~
E
o
A
N
•A.
o l
AZ
•
l
L-- ----
1 E-3
1E-2
1E-3
1E-4
1E-5
Prędkość
wzrostu v , cm/s
Rysunek 3. Wpł yw prędkości wzrostu eutektyki v na odległość międzypłytkową eutektyki
gratitowej A., wielkości wyprzedzenia grafitu l i zagłębienia w austenicie::.
którym naniesiono rów nież wyniki obliczeń wyprzedzenia grafitu l i
w austenic1e ::, wykonanych według następujących zależności [3]:
1
l=
15/g
7GA.' f ,' + 140f
8
[(mC v n . - -p
-
8
-
Ą( to0 + sin0
+ Gf
. " tg 0 " ) /...3 + -2f
- g-
0
D
(
f
8
8
wielkości zagłębi enia
)
30
/
"'
g
8
]
g)
(3)
oraz
z=
l5f,,'
7GA.' f } +240f"
[(l-m
"IC
- -( n
0
D
v
zr"-A. (3to0
. --_
f' )+ Gf.
. a tg0 " ) Ą'. + -
"
/,
1,5
f.
"' "
- sin0 )]
"
(4)
gdzie: g, a- indeks oznaczający kolejno grafit i austenit, a wartości parametrów materiałowych
przyjętych do obliczeń zależności (3) i (4);f- ułamek objętości fazy w eutektyce, r- długość
kapilarna, m - współczynnik kierunkowy linii likwidus, Co - stężenie, /J - współczynnik dyfuzji
węgla w cieczy, e- kąt styku, n · i p- stałe materiałowe, zestawiono w pracy [3].
Wyniki do świadczalne zależności Ą = f (v), opracowano metodą statystyczną, uzyskując
równanie regresji (współczynnik korelacJi, R = 0,98) w postaci ogólnego zapisu prawa
wzrostu eutektyki wyrażonego zależnością (l):
93
Ą = 5,09 ·l O -S · v-o,',
cm ·
(5 )
Z anali zy przeb1egu krzywych A.( i') i l( v) wynika, że w miarę z\>v ięk szania prędkości
wzrostu v, uzyskuj e s ię zmniejszeni e wa rt ości o mawianyc h parametrów i jedynie przy danych
wie l kości zagłębi e ni a ::: obserwuJe s i ę w p o cząt ko wy m okresie nieznaczne zakłócenie Może to
być zw i ązane z samym ksztaltem frontu krystalizacJi austemtu w przyj ętym modelu [3].
Z obserwacJ I metalograficznych uzyskaneJ struktu ry wy nika, iż wartości parametru ::: i ..1 są
zbiizonc Z kolei wartości wyprzedzema grafitu są mniejsze od parametru A, a najistotniejszą
rolę w wyznaczeniu parametru l grafitu odgrywa ·kąt styku 0 oraz wartość współczynmka
dytuzJ I węgla w cieczy D
ReasumuJąc wyniki badań mikrostruktury i kształt u rrontu krystalizaCJI eutektyki
grafitoweJ w stopie Fe - C mozemy s t wierdzić, że w m i a rę zwiększani a prędko ści wzrostu
eutektyki, obserwuJe si<;: zmniejszenie parametru geometrycznego A eutektyki zgodnie
z zaleznośc1ą (5). Ponadto podczas wzrostu eutektyki grafitoweJ , płytki grafitu wy raźni e
wyprzedzają austenit (rys :2d), natomiast wielkości zagłęb i enia w fazie n ieśc ian oweJ (austenitu)
są zblizone do odległosci międzypłytkoweJ Ą Związek pom i ęd zy tymi trzema parametrami,
pozwoli w dalszej koleJnOŚCI podjąć badania odnośme wzrostu tej eutektyki przy założeniu ,
(1 pnon , rzeczywistego (dobrze wyeksponowa nego) kształtu !Ton tu krystalizacji.
LITERA TURA
[l] F1sher D J , Kurz W A theory o f branching limited growth of 1rregular eutectics. Acta
Metallurg1ca :28 , 1980. s 777
l :2 l Magm n P , Kurtz W An analytical model o f Irregular eutectic growth and its application
toFe-C, ActaMetallurgica 35.1987,s. l11 9
[3 j Guzik E. Model wz rostu eu tektyki nieregularnej na przykład zie eutektyki grafitowej
w stopachFe-C Rozprawy - Monogra tle, Zesz. Nauk. AGH, Nr l S, \ 994, s. 1 - 87 .
[4] T d ler W A. Liquid metais and soiidification ADM , Ohio Cleveland 1958 .
[5] Jackson K. A. , Hunt J D Lamellar and rod eutectic growth .Transactions of the
Metallu rgical Soc1ety of AIME, :236, 1966. s 1129 .
[6] Fraś E . Krystalizacja zehwa Skrypt AGH nr 8 11 - Krak ów, 1981
ANALYS IS OF GROWTH OF ORIENTE D GRAPHITE EUTECTIC IN CAST IRON
The pa per brings the results o f investigations of the unidirectional crystallization of Fe - C
alloys. Appl ying the Bridgman clevice for umd1rectional crystalli zation it was a relation between
the interlamellar spacing A and growth rate l' established. In the structure o f the unidirectional
graphi te eutectic, crystallizing wit h t he rate 8.33-E-05 + l ll ·E-03 cm/s, the decreasing o f the
parameters Ą (Ą = 5,09 · l O_,· v-u.') were observed . The shape ofthe solid- liquid interface of
y(Fe) + graphi te eutectic and the protru sion at the austemt by the leading erystal graphite are
also presented.