ZDZISŁAW DURMAL4
TEORIA KRYSTALIZACJI STALIWA
S t r e s z c z e n i e : O p ie r a J ą o s i ę na w y n ik a c h prao J . L . W a lk era , W.A. T l l l e r a , k .A . J a c k so n a i B . C halm eraa na tem a t k r y s t a l i z a c j i m e t a l i 1 s to p ó w p o d w ó jn y ch , s tw o r z o n o t e o r i ę k r y s t a l i z a c j i z w y k łe g o s t a l i w a . W ychodząc z t e j t e o r i i w sk azan o na m o ż liw o ś c i s t e r o w a n ia p ro c e se m k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a p r z e z o d le w a n ie go w fo rm a ch z m a t e r ia łó w o r ó ż n e j s z y b k o ś c i o d p ro
w a d za n ia c l e p i ą .
1 . W prow adzenie
J a k k o lw ie k od o p u b lik o w a n ia n ie k t ó r y c h fra g m en tó w p ra o nad k r y s t a l i z a c j ą m e t a l i i s to p ó w p od w ójn ych p r z e z J . L . W alkera [ l ] , W.A. T l l l e r a
[ 2 3 , K .A . J a o k so n a [ 3 ] , B . C h a lm ersa [ 4 ] i in n y c h w s p ó łp r a c u j ą c y c h z n i mi a u to r ó w m in ę ło Już k i l k a n a ś c i e l a t , t o b ra k J e s t d o t y c h c z a s próby p r z e n i e s i e n i a w yników t y c h p r a c na t a k i sto su n k o w o p r o s t y s t o p , Jakim J e s t s t a l i w o w ę g lo w e . Tymozasem z w y k łe s t a l i w o w ęglow e m ożna, Jak w ia d o mo, uw ażać za podw ójny s t o p ż e l a z a z w ę g le m , g ó y ż t y l k o w ę g i e l w y k a zu je wpływ na z a c h o w a n ie s i ę t e g o s t a l i w a p o d c z a s p ie r w o t n e j k r y s t a l i z a c j i i na p rzem ia n y w s t a n i e s t a ł y m . I n n e p i e r w i a s t k i , j a k krzem i m angan, w ys
t ę p u j ą w t a k i c h i l o ś c i a c h , ż e w pływ i c h na z a k r e s te m p e r a tu r y k r y s t a l i z a c j i J e s t z n ik o m y . I s t n i e j ą t e ż t a k i e g a t u n k i s t a l i w a , j a k n a d e u te k - t o i d a l n e g a t u n k i s t a l i w a n ls k o s t o p o w e g o , s t o s o w a n e na w a lc e h u t n i c z e do p r o d u k c j i b l a o h , w k t ó r y c h pomimo p ew nej i l o ś c i chromu i w o lfr a m u ,o o b a -
r a k t e r z e k r y s t a l i z a c j i d e c y d u je znowu t y l k o w ę g i e l .
W n i n i e j s z e j p ra cy p r z e d s t a w io n o prób ę s t w o r z e n ia t e o r i i k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a w o p a r c iu o p r a c e w y m ien io n y ch p ow yżej a u to r ó w . Ponad
t o p o s łu g u ją c s i ę t ą t e o r i ą w y k a za n o , ż e można s t e r o w a ć p ro cesem k ry s t a l i z a c j i s t a l i w a , a ja k o p r z y k ła d t e g o p r z e d s t a w io n o sp o s ó b k s z t a ł to w a n ia s i ę m a k ro stru k tu ry s t a l i w a n a d e u t e k t o id a ln e g o w z a l e ż n o ś c i od s z y b k o ś c i odprow adzania c i e p ł a .
2 . P r z e b ie g k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a
O dlane do form y i poddane n a s t ę p n ie k r y s t a l i z a c j i s t a l i w o wyka
z u j e w te m p e r a tu r z e p o k o jo w ej t r z y z a s a d n ic z e ty p y k r y s z t a łó w - z i a r n o ró ż n y c h w zajem nych s t o s u n k a c h i l o ś c i o w y c h , c o c h a r a k t e r y s t y c z n e j e s t r ó w n ie ż d la k r y s t a l i z a c j i in n y c h sto p ó w m e t a l i , t z n . k r y s z t a ł y zamro
ż o n e , k r y s z t a ł y kolumnowe i k r y s z t a ł y r ó w n o o s io w e . P o s z c z e g ó ln e ty p y k r y s z t a łó w u k ła d a j ą s i ę p rzy tym w s t r e f y , c o ła t w o można s t w i e r d z i ć na p r z e ło m ie od lew ów . Z ew n ętrzn a s t r e f a k r y s z t a łó w zam rożoitych - o i l e w o g ó le w y s tę p u je - j e s t b a r d z o c ie n k a , n a to m ia s t n a s tę p n a w k o l e j n o
ś c i s t r e f a k r y s z t a łó w kolum nowych może s i ę g a ć , p rzy k o rzy stn y m d la n iej u k ła d z ie c zy n n ik ó w w p ły w a ją c y c h na k r y s t a l i z a c j ę , do śro d k a od lew ów . Z azw yczaj je d n a k za s t r e f ą k r y s z t a łó w kolum nowych w y s tę p u je - - ja k o środkowa - s t r e f a k r y s z t a łó w r ó w n o o sio w y c h . S t r e f a t a , znowu w s p r z y j a j ą c y c h w aru n k ach , może w y p e łn ić c a ł ą ,' p o za s t r e f ą k r y s z t a łó w zamro
ż o n y c h , o b j ę t o ś ć od lew ów . S c h e m a ty c z n ie p ok azan o n a j c z ę ś c i e j s p o ty k a n ą m a k ro stru k tu rę od lew u s t a liw n e g o na ry su n k u 1 .
K r y s z t a ły zam rożone - tw o r z ą c e s k r a j n ą , d r o b n o z ia r n i s t ą s t r e f ę odlew u s t a l i w n e g o , z a r o d k u ją w p o b li ż u ś c i a n e k form y w te d y ,' gdy tem pe
r a tu r a J e j j e s t z n a c z n ie n i ż s z a od te m p e r a tu r y k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a . P r z e g r z a n e c i e k ł e s t a l i w o sz y b k o s t y g n i e w t y c h w arunkach i o s i ą g a t a k i s t o p i e ń p r z e c h ło d z e n ia , p rzy k tórym s t a ł e c z ą s t e c z k i z a n ie c z y s z c z e ń z a w a r ty c h w s_mym c ie k ły m s t a l i w i e - mogą t o b yó n p . w y s o k o to p liw e w t.rą-
- 31 -
c e n ią n i e m e t a l i c z n e - lu b tk w ią c y c h na p o w ie r z c h n i fo r m y , s t a j ą s i ę e - fek ty w n y m i k a t a l i z a t o r a m i za ro d k o w a n ia k r y s z t a łó w - r y su n e k 2 .
Kryształy równoostowe
k r y s z ta ły kolumnowe
k r y s z t a ł y za m r o ż o n e R y s . i . S c h e m a ty c z n y r y s u n e k p r z e k r o j u od lew u
Forma
0 O d L c g ł o s i o<J f o r m y
R y s . 2 . P o w sta w a n ie p r z e c h ło d z e n ia s t a l i w a p r z y p o w ie r z c h n i form y
1 - r o z k ła d te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e ; 2 - tem
p e r a t u r a p o c z ą tk u k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a ; 3 - tem pe
r a t u r a p o w sta w a n ia zarodków k r y s t a l i z a c j i w tym s t a l i w i e
W ie lk o ś ć o b s z a r u p r z e c b ło d z e n i a j e s t w p r o s t p r o p o r c jo n a ln a do i l o ś c i tw o r z ą c y c h s i ę zarodków k r y s t a l i z a c j i N, k t ó r a z k o l e i J e s t fu n k c j ą e f e k t y w n o ś c i k a t a l i z a t o r ó w za ro d k o w a n ia e , s z y b k o ś c i o d p ro w a d za n ia c i e p ł a r , i te m p e r a tu r y z a le w a n ia Tz .
N = f ( i , r , T j «i
K a t a l i z a t o r y za ro d k o w a n ia s ą tym e f e k t y w n i e j s z e , im b a r d z i e j zmnią) s z a j ą k o n ie c z n e do za ro d k o w a n ia p r z e c h ł o d z e n i e . I l o ś ć zarodków w z r a s t a , gdy p o w ię k sz a s i ę s z y b k o ś ć o d p ro w a d za n ia c i e p ł a . Wysoka te m p e r a tu r a u - t r u d n l a , a n is k a - u ła t w i a p o w sta w a n ie d u ż e j i l o ś c i zarodków k r y s t a l i z a c j i .
Po z a k o ń c z e n iu p r o c e s u t w o r z e n ia s i ę s t r e f y k r y s z t a łó w zam rożo - n y c h , d a ls z y p r z e b ie g k r y s t a l i z a c j i od lew u s t a l i w n e g o c h a r a k t e r y z u j e s i ę pow staw aniem z a z w y c z a j k r y s z t a łó w k olum now ych. K r y s z t a ły kolum nowe r o s n ą w k ie r u n k u p rzeciw nym do k ie r u n k u o d p ro w a d za n ia c i e p ł a , t j . w k ie r u n k u p r o sto p a d ły m do p o w ie r z c h n i fo r m y . P o w sta w a n ie k r y s z t a łó w kolum now ych od
bywa s i ę w n a s t ę p u j ą c y c h w a ru n k a ch . P o d cza s r o z r o s t u k r y s z t a łó w za ro d k u ją c y c h p rzy p o w ie r z c h n i form y p r z e o h ło d z o n e s t a l i w o s z y b k o s i ę n a g r z e w a , k o sztem w y d z ie la j ą c e g o s i ę c i e p ł a k r y s t a l i z a c j i . N a jw ię k s z e p r z e c h ło d z e n i e , j a k i e może w ted y u trzym ać s i ę p r z e d fr o n te m k r y s t a l i z a c j i , b ę d z ie równe - p rzy d a n ej s z y b k o ś c i o d p ro w a d za n ia c i e p ł a - t y l k o temu p r z e c h ł o - d z e n iu , k t ó r e n ie o d z o w n e J e s t do r o z r o s t u j u ż i s t n i e j ą c y o h k r y s z t a ł ó w . W przypadku c z y s t e g o ż e l a z a t o p r z e c h ł o d z e n i e j e s t o w i e l e m n i e j s z e od t e go p r z e c h ło d z e n i a , j a k i e k o n ie c z n e j e s t do z a r o d k o w a n ia nowych k r y s z t a łów / r y s . 3 / . D la t e g o t e ż k r y s t a l i z a c j a o d lew u c z y s t e g o ż e l a z a b ę d z ie c h a r a k te r y z o w a ć s i ę r o z r o s t e m k r y s z t a łó w Już i s t n i e j ą c y o h , t z n , t y c h k r y s z t a ł ó w , k t ó r e z n a j d u j ą s i ę na g r a n ic y s k r a j n e j / z a m r o ż o n e j / s t r e f y i c i e k łe g o ż e l a z a . One t e ż p r z e m ie n ia j ą s i ę w k r y s z t a ł y kolum now e, z a w sz e s i ę g a j ą c e do śro d k a o d le w u .
W przypadku s t o p u ż e l a z a z w ę g le m ,’ ja k im j e s t z w y k łe s t a l i w o , p ro
c e s k r y s t a l i z a c j i po ukończonym s ta d iu m t w o r z e n ia s i ę k r y s z t a łó w z a m ro żo -
K ry s z ta J C ij z a m r o ż o n e
O Odlzyfo&Ł o d f o r my %
R y s . 3 . P o w sta w a n ie s t r e f y k r y s z t a łó w kolum now ych p r z e d fr o n t e m k r y s t a l i z a c j i Ż e la z a
k r y s z t a łó w Ż e la z a
i - r o z k ła d te m p e r a tu r y w c ie k ły m Ż e l a z i e p r z e d fr o n te m k r y s t a l i z a c h i ; 2 - te m p e r a tu r a k r y s t a l i z a c j i Ż e la z a ; 3 - te m p e r a tu r a za ro d k o w a n ia fr o n te m k r y s t a l i z a c h i ;
l i z a c j i Ż e la z a ; 3 - t
n y ch p r z e b ie g a w in n y s p o s ó b . P on iew aż s t a l i w o k r y s t a l i z u j e w pewnym z a k r e s i e te m p e r a tu r y a w ra z z tym r o z p u s z c z o n y w ę g i e l o b n iż a te m p e r a tu r ę t a k p o c z ą tk u ja k i k o ń c a k r y s t a _ ; ~ a c j i s t a l i w a , t o f a z a s t a ł a - a u s t e n i t - z n a jd u j ą c a s i ę w rów now adze z c i e k ł ą , z a w ie r a teg o Z w ę g la mniej n i ż f a z a c i e k ł a . Z obrazow ano t o d l a s t a l i w a w s p o s ó b u p r o s z c z o n y , pomi
j a j ą o r e a k c j ę p e r y t e k t y c z n ą , na r y su n k u 4 . Na ry su n k u tym k = ---mo CL o z n a c z a s p ó ł c z y n n i k p o d z i a ł u w ę g l a , g d z i e Cg - s t ę ż e n i e w ę g la w f a z i e s t a ł e j ; CL - s t ę ż e n i e w ę g la w f a z i e c i e k ł e j ; Co - s t ę ż e n i e w ęg la w c ie k ły m s t a l i w i e p r z e d K r y s t a l i z a c j ą ; - te m p e r a tu r a lik w id u s u . P r z e b ie g te m p e r a tu r y li k w i d u s u w z a l e ż n o ś c i od s t ę ż e n i a w ę g la w c i e kłym s t a l i w i e CL można o p is a ć ,! z g o d n ie z p r z e d sta w io n y m na ry su n k u 4 w y k resem , za pomocą rów n an ia
w k tórym m - w s p ó łc z y n n ik k ie r u n k o w y ,' równy ta n g e n s o w i k ą ta n a c h y le n i a
•e li k w i d u s u do o s i s t ę ż e n i a w ę g l a .
( 2 )
R y s. 4 . C z ę ść u p r o s z c z o n e g o w y k resu u k ła d u ż e l a z o - w ę g i e l w z a k r e s i e r o z tw o r u s t a ł e g o - a u s t e n i t u
i'pe - tem p e r a tu r a k r y s t a l i z a c j i Fe-JT ; 'i1^ - tem
p e r a tu r a p o c z ą tk u k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a o s k ł a d z ie C0 ; Tg - tem p era tu ra korioa k r y s t a l i z a c j i t e g o s t a l i w a
Tak w ię c w ę g i e l w y p ie r a n y j e s t do c i e k ł e g o s t a l i w a , w z b o g a c a ją c go s o b ą . W skutek t e g o , ż e k r y s t a l i z a c j a odbywa s i ę z a z w y c z a j z e z b y t d u żą s z y b k o ś c ią na t o , aby m ógł wyrównać s i ę s k ł a d o h e m ic z iiy , p r z e d fr o n te m k r y s t a l i z a c j i p o w s ta je g r a d i e n t s t ę ż e n i a w ę g la 1 o d p o w ie d n io do t e g o zm ie
nia s i ę tem p era tu ra p o c z ą tk u k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a , c z y l i te m p e r a tu r a 1 1 - k w id u su . Na ry su n k u 5 p r z e d s t a w io n o j a k k s z t a ł t u j e s i ę s t ę ż e n i e w ę g la w
R y s . 5 . R o zk ła d s t ę ż e n i a w ę g la w c ie k ły m s t a l i w i e ja k o f u n k c j a o d l e g ł o ś c i od f r o n t u k r y s t a l i z a c j i
- 35 -
ciekłym staliw ie CL w zależności od odległości od frontu k rystaliza
c j i x ', przy czym stężenie to można opisać - w przypadku stanu quasi- stacjonarnego , gdy front k r y s ta liz a c ji postępuje naprzód ze sta łą szybkością i nie zmienia swego k szta łtu , zakładając ponadto, że wyrówny
wanie składu w ciekłym sta liw ie następuje tylko drogą dyfuzji oraz nie b io r ą c pod uwagę d yfu zji w fa z ie s t a łe j - za pomocą równania
w którym R - szybkość postępu frontu k r y s ta liz a c ji w cm/s; D - współ- czynnik dyfuzji węgla w ciekłym sta liw ie w cm / s .2
Na rysunku 6 natomiast pokazano, jak zmienia się - odpowiednio do
Rys, 6, Zmiana temperatury likwidusu TL i zmiana rzeczy
w istej temperatury ciekłego staliwa w zależności od odległości od frontu k r y s ta liz a c ji
0X^ “ obszar przechłodzenia stężeniowego
zmiany w stężeniu węgla - temperatura likwidusu przed frontem k r y s ta li
z a c ji /krzywa 1 / „ Opierając się na pracy [ A l , przebieg temperatury l i kwidusu staliwa T l w zależności od odległości od frontu k r y s ta liz a c ji można w przybliżeniu wyznaczyć z następującego równania
R z e c z y w is tą te m p e r a tu r ę c i e k ł e g o s t a l i w a Tg w ja k im k o lw ie k p u o - k e it p r z e d fr o n te m k r y s t a l i z a c j i w yzn acza r ó w n a n ie
T r = ^ + G X ',
{«>g d z ie G - g r a d ie n t te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e w °K /css.
Na rysu n k u 6 u m ie sz c z o n o t a k ż e j e d e n z m o ż liw y c h ro z k ła d ó w r z e c z y w i s t e j te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e /k r z y w a T g / . W t e n s p o s ó b r y su n e k 6 o b r a z u je t a k i w a r ia n t ,' w k tórym g r a d i e n t r z e c z y w i s t e j tem p e r a tu r y c i e k łe g o s t a l i w a j e s t m n ie js z y od g r a d ie n t u te m p e r a tu r y li k w l d u s u . D la t e g o w a r ia n tu c h a r a k te r y s ty c z n y m J e s t p o w s ta n ie fczw. p r z e c h ło d z e n i a s t ę ż e n i o w e g o . Na rysu n k u 7 w y k r e ś lo n o zm iany p r z e o h ło d z e n ia s t ę ż e n io w e g o A Tg w
Hys. 7 . Z a le ż n o ś ć p r z e o h ło d z e n ia s t ę ż e n io w e g o Od o d le g ł o ś c i od f r o n t u k r y s t a l i z a c j i
f u n k c j i o d l e g ł o ś c i od f r o n t u k r y s t a l i z a c j i . W ie lk o ś ć p r z e o h ło d z e n ia s t ę że n io w e g o w y zn a czy ć można na p o d s ta w ie z w ią zk u p od an ego p r z e z J . W alkera
[ i ] , równaniem
a T k = AT,[i-m>(-U')J ~G x ', o
g d z ie A T 3 - z a k r e s te m p e r a tu r y k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a , równy r ó ż n ic y T j i T g.
W o b s z a r z e p r z e c h ło d z e n ia s t ę ż e n io w e g o 0 — / r y s . 8 /, p o czy n a j ą c od pewnego momentu s t y g n i ę c i a c i e k ł e g o s t a l i w a , k ie d y t o p r z e c h ło d z e n ie s t ę ż e n io w e o s i ą g n i e ta k ą w i e l k o ś ć , ja k a k o n ie c z n a j e s t do zarodkow a
n ia k r y s z t a łó w na n ie r o z p u s z c z a ln y c h d o m ie sz k a c h p o w s ta je dw ufazowa s t r e f a , w k t ó r e j p rzed fr o n te m k r y s z t a łó w kolum nowych b ę d ą r o z r a s t a ć s i ę k r y s z t a ł y rów nooŁ iow e.
- 37 -
- _ - t r
_
j & j t
s t r e f a
k r y s z t a ł ó w
kolumnowych
S t r e f a
dwufazowa
i r : : :
— 4-'
c ie k le S t a i iw o
R y s , 8 . F orm ow anie s i ę d w u fazow ej s t r e f y p r z e d fr o n te m k r y s t a l i z a c j i w s k u te k z a ro d k o w a n ia k r y s z t a łó w w o b s z a r z e p r z e o h ło d z e n i a s t ę ż e n io w e g o
i - r o z k ła d te m p e r a tu r y w z d łu ż p r z e k r o j u k r y s z t a łó w a u s t e n itu
W edług W .A. f i l i e r a , ’ K.A« J a c k s o n a ,' J.W . Rutfeare i E , C h aln srw a [ i ] p r z e c h ło d z ę n i e s t ę ż e n i o w e n i e p o ja w ia s i ę - o ż y l i rozwój k r y s z t a łó w k o lum nowych n a s t ę p u j e za k r y s z t a ł a m i zam rożonym i w a a ł e j o h j ę t o ó o i odlewaj - w t e d y , gdy s p e ł n i o n y j e s t w aru n ek
R >
U j - k e
D
( D
3 . M o ż liw o ś c i s t e r o w a n ia p ro cesem t x v a t a l l z a c . i l s t a l i w a
Moment zm iany c h a r a k te r u k r y s t a l i z a c j i s t a l i w a , c z y l i t e n m om ent, w którym p r z e s t a n ą - j u ż r o z w ij a ć s i ę k r y s z t a ł y kolum now e, a n a to m ia s t z a o z - ną formować s i ę k r y s z t a ł y ró w n o o sio w e z a le ż y od e f e k t y w n o ś c i k a t a l i z a t o rów z a ro d k o w a n ia , za w a r ty c h w c ie k ły m s t a l i w i e i od czy n n ik ó w w p ły w a ją c y c h na p r z e c h ło d z e n ie s t ę ż e n i o w e .
Znanym sposobem r o z d r o b n ie n ia z ia r n a j e s t z a b i e g p o l e g a j ą c y na wpro
w ad zan iu do c i e k ł e g o s t a l i w a e fe k ty w n y c h k a t a l i z a t o r ó w za ro d k o w a n ia / l n o - k u la t o r ó w / . I n o k u la c j a n i e b ę d z ie je d n a k b l i ż e j w n i n i e j s z e j p ra cy oma
w ia n a . J e ż e l i c h o d z i o w i b r a c j ę , t o z a z n a c z y ć t u n a l e ż y , ż e d o t y c h c z a s n ie ma j a s n e g o p o g lą d u na t o , j a k i j e s t m echanizm j e j w pływu na r o z d r o b n i e n i e s t r u k t u r y . N a j b a r d z ie j p rzek o n y w u ją ce w y tłu m a c z e n ie w y d a je s i ę być t o , w ed łu g k t ó r e g o w c i e c z y p o w s ta ją w w arunkach w i b r a c j i f a l e z g ę s z c z e - n ia 1 r o z r z e d z e n i a . F a le z g ę s z c z e n i a mogą spow odować p o d w y ż sz e n ie tem pe
r a tu r y t o p l i w o ś c i c i e k ł e g o s t a l i w a , o o tym samym p o w ię k sz a p r z e c h ło d z e - n i e s t ę ż e n io w e i u ła t w ia za ro d k o w a n ie k r y s z t a łó w ró w n o o sio w y ch [ 6 ] .
N a jb a r d z ie j je d n a k i n t e r e s u j ą c e k o n s e k w e n c je , z punktu w id z e n ia od
le w n ic z e g o , w y n ik a ją z a n a l i z y rów n an ia 6 / r o z d z . 1 / . Na samym w s t ę p i e na l e ż y w y k lu c z y ć m o ż liw o ść s t e r o w a n ia s t r u k t u r ą s t a l i w a p r z e z zm ianę z a k r e s u tem p era tu ry k r y s t a l i z a c j i - s k ł a d oh em lozn y danego g a tu n k u s t a l i w a i e s t w p r a k ty c e z gói-y o k r e ś lo n y w zg lęd a m i użytkow ym i - c h o c i a ż . Jak w i
dać z rów n an ia 3 , zmiana te g o z a k r e s u s i l n i e wpływa na c h a r a k t e r k r y s t a — l l z a o j l ; p o w ię k s z e n ie z a k r e s u te m p e r a tu r y k r y s t a l i z a c j i doprow adza do w z r o s tu p r z e o h ło d z e n ia s t ę ż e n io w e g o 1 do w z r o s t u t e n d e n c j i do p o ja w ia n ia s i ę k r y s z t a łó w r ó w n o o sio w y ch .
Drugim c z y n n ik ie m - poza za k resem te m p e r a tu r y k r y s t a l i z a o j i - w p ły wającym na c h a r a k t e r k r y s t a l i z a c j i j e s t , Jak w id a ć z t e g o sam ego rów n a- n l a , g r a d ie n t tem p era tu ry w c ie k ły m s t a l i w i e . Wraz z e w zro stem t e g o g r a d ie n t u m a le je p r z e c h ło d z e n ie s t ę ż e n i o w e , c z y l i tym samym p o w s ta ją l e p s z e
39
w a ru n k i do r o z w o ju s t r e f y k r y s z t a łó w kolum now ych. O d w r o tn ie , o b n iż e n i e g r a d ie n t u te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e pow oduje z w ię k s z e n i e p r z e o h ło d z e n ia s t ę ż e n io w e g o a zarazem s t w a r z a k o r z y s t n i e j s z e w aru n k i do p o w sta n ia i r o z w i n i ę c i a s i ę s t r e f y k r y s z t a łó w kolum now ych.
G r a d ie n t te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e zd eterm in o w a n y j e s t z k o l e i p r z e z te m p e r a tu r ę o d le w a n ia do form y i p r z e z r o d z a j m a t e r ia ł u z k t ó r e g o wykonana j e s t fo r m a . Wysoka te m p e r a tu r a o d le w a n ia p o w o d u je, c a e t e r i s p a - r i b u s , duży g r a d i e n t te m p e r a tu r y w c ie k ł y m s t a l i w i e , c o s p r z y j a r o zw o jo w i k r y s z t a łó w k olum now ych. N a to m ia s t n is k a te m p e r a tu r a o d le w a n ia s t w a r z a ł a godny g r a d i e n t , a tym samym z w ię k s z a s z a n s e do p o w sta w a n ia k r y s z t a łó w rów - no o s io w y c h .
M o ż liw o ś c i k ie r o w a n ia g r a d ie n t e m te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e po
p r z e z te m p e r a tu r ę o d le w a n ia s ą je d n a k znowu o g r a n i c z o n e . Z w ię k s z e n ie tem
p e r a tu r y ponad p o zio m u s t a lo n y w p r a k t y c e p r o d u k c y j n e j , z zam iarem o t r z y m ania r o z s z e r z o n e j s t r e f y k r y s z t a ł ó w k olum now ych, może d o p ro w a d zić n p .d o w żerów i p r z y p a le r t masy f o r m i e r s k i e j . O b n iż e n ie te m p e r a tu r y o d le w a n ia , w c e l u z w ię k s z e n i a s z a n s o tr z y m a n ia s t r u k t u r y k r y s z t a łó w r ó w n o o sio w y c h , pro
w a d z i z a z w y c z a j do n iesp aw ów i n ie d o le w ó w .
Duże p r a k ty c z n e m o ż l iw o ś c i k ie r o w a n ia g r a d ie n t e m te m p e r a tu r y w c i e kłym s t a l i w i e tk w ią n a t o m ia s t w s t o s o w a n i u m a t e r i a ł u form y o r ó ż n e j s z y b k o ś c i o d p ro w a d za n ia c i e p ł a . W edług F .D . O b olen zew a t a k ż e L o o k e s , B r lg g s a i A s h b r o o k e 'a ( s ) w z g lę d n e d z i a ł a n i e s t u d z ą c e , , w y w iera n e na s t a
l i w o p r z e z n i e k t ó r e m a t e r i a ł y , od n a j s i l n i e j s z e g o do n a j s ł a b s z e g o , j e s t n a s t ę p u j ą c e : m ie d ź , ż e l i w o , g r a f i t , k a r b o r u n d , m a g n e z y t, c h r o m it , f o r s t e - r y t , p ia s e k kw arcow y, s z a m o ta , t e r m i t .
P rzep ro w a d zo n e p r z e z a u t o r a b a d a n ia w pływ u w yb ran ych m a t e r ia łó w f o r m i e r s k ic h na m a k r o s tr u k tu r ę w ałków / r y s . 9 / ż n i sk o s topow ego s t a l i w a n a d - e u t e k t o i d a l n e g o , z a w ie r a j ą c e g o 1 , 2 - 1 , 3 % 0 ; 0 , 2 5 - 0 , 4 5 % S i ; 0 , 2 5 - - 0 , 5 5 % Mn; 0 , 0 3 % P ^ ; 0 , 0 2 % S _ ; 1 , 6 - 1 , 3 % C r; 0 , 6 - 0 , 8 % W;
0 , 1 - 0 , 2 % Mo; o k o ło 0 , 1 % V, w y k a z a ły ogrom ną r o l ę zm ia n g r a d ie n t u tem
p e r a t u r y s t w o r z o n y c h p r z e z r ó ż n e m a t e r i a ł y formy, w k s z t a ł t o w a n i u s i ę po
l i w n e , g r a f i t o w e , m agn ezytow e, z p la s k u kmaroowego 1 sz a m o to w e.
* r r
17
przet ok
_ J ' U-Si
R y s. 9 . Wymiary w a łk a s t a li w n e g o i u s y tu o w a n ie p rzeło m u
Na rysu n k u 10 pokazano p ogląd ow o j a k i na t l e r o z k ła d u te m p e r a tu r y l i - kw idusu Tl p o w s ta je r o z k ła d r z e c z y w i s t e j te m p e r a tu r y c i e k ł e g o s t a l i w a 1 zw iązan a z tym m a k r o str u k tu r a w w a łk a c h o d le w a n y c h w fo rm a ch ż e liw n y c h 1 g r a f it o w y c h /k r z y w a 1 / , w fo rm a ch m agn ezytow ych /k r z y w a 2 / o r a z w f o r mach z p ia s k u kw arcowego i z sza m o ty /k r z y w a 3 / .
R y s. 1 0 . R o zk ła d y te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e odlew anym w r ó ż n y c h m a t e r ia ł a c h f o r m ie r s k i c h i w ynikow e ma- k r o s t r u k t u r y
Jak w id a ć z t e g o r y s u n k u , form y ż e li w n e 1 g r a f i t o w e , p o s i a d a j ą c e z b l i żone w ła ś c i w o ś c i te r m ic z n e i sz y b k o o d p r o w a d z a ją c e o i e p ł o , pow odują p o w sta w a n ie ta k dużego g r a d ie n t u te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e p r z e d fro n tem k r y s t a l i z a c j i , ż e p r z e o h ło d z e n le s t ę ż e n io w e w o g ó le n i e p o ja w ia s i ę i s t r e f a k r y s z t a łó w kolum nowych s i ę g a do śro d k a w a łk ó w . Na drugim k ra d o u pod
- 11 -
w zg lęd em d z i a ł a n i a s t u d z ą c e g o z n a j d u j ą s i ę form y szam otow e i form y z p l a s ku k w a rco w eg o . S t w a r z a j ą one b a r d z o ła g o d n y g r a d ie n t te m p e r a tu r y p r z e d fr o n t e m k r y s t a l i z a c j i , a tym samym ta k d u że p r z e c h ło d z e n i e s t ę ż e n i o w e , Ze doprow adza t o do p o w s ta n ia k r y s z t a łó w ró w n o o slo w y c h na ca ły m p r z e k r o ju w a ł
k ó w . P o ś r e d n ie m i e j s c e w d z i a ł a n i u s tu d z ą c y m z a jm u ją form y m agn ezytow e;
g r a d i e n t te m p e r a tu r y w c ie k ły m s t a l i w i e k s z t a ł t u j e s i ę w t e n s p o s ó b ,' Ze t a k i e p r z e c h ło d z e n i e s t ę ż e n i o w e , J a k ie k o n ie c z n e J e s t do t e g o , aby p o w sta ł y k r y s z t a ł y r ó w n o o s lo w e , z j a w ia s i ę d o p ie r o po pewnym c z a s i e t a k ,’ Ze na s t r u k t u r ę w ałków s k ł a d a j ą s i ę c z ę ś c i o w o k r y s z t a ł y kolumnowa 1 c z ę ś c i o w o - r ó w n o o s lo w e .
S tw ie r d z o n y f a k t w y s tę p o w a n ia s t r e f y k r y s z t a łó w kolum now ych w w a łk a c h o d le w a n y c h w fo rm a ch m a gn ezytow ych m ógłb y b yć w y k o r z y s ta n y w o d le w a n iu w a lcó w h u t n i c z y c h . Od w a lcó w t a k i c h wymaga s i ę ,* aby b y ły o d p orn e na ś c i e
r a n i e , o o za p ew n ia im z e w n ę tr z n a w a rstw a k r y s z t a łó w kolum nowych ( 9) . Obe
c n i e w a lc e o d le w a n e s ą w m a s ie s z a m o to w e j , co doprow adza do s t r u k t u r y k ry s z ta łó w r ó w n o o 8 lo w y ch na c a ły m p r z e k r o j u 1 n i e za p ew n ia d ł u g i e g o c z a s u e k s
p lo a t a c j i , '
M WALKER J.L.s Zidkije a ie t a l l y i ich zstwierdiwanje. Gosudarstwienno- jc- naucznotiechniczeskoje izd atielstw o po ozernoj i cwietnoj mle~
t a li u r g i i. Moskwa 1962, e. 355»
[2j TILLER Y/.A., SMITH V.G ., RUTTER J.W.s Canadian Journal o f Physios, 1955, t . 33, s. 723.
[ 3] JACKSON K.A. t Canadian Journal o f Physics, 1958, -t. 36, s. 683«
[a] TILLER W.A., JACKSON K .A ., RUTTER J.W., CHALMERS B .t Acta M etallur
g ie s , 1953, t* 1 , s. 428.
£5} CHALMERS B .: P rinciples of S o lid ific a tio n . J. Wieley, New Xork 1964, s. 133.
[oj FORM G.W., WALLACE J .F .s Modem Casting, 1960, t . 37, s. 14 5 .'
£7] OBOLENZEYi F.D .: Foundry Trade Journal, 1960, t . 109, s . 261.
ERIGGS C.W.t Modem Castings, 1960, t . 37, s. 157«
£9] LONGDEN S . ! Densening and C h illin g in Foundry Work, Charles G r iffin , London 1954, s. 121.
Teopaa KpjtcTaJijmaanHK jihtoA ctsjih
P e 3 d m e
O n a p a a c i. Ha p e sy jiB T a T ij p a d o T n o B o n p o c y xpiiC TaiiJiji3am (H M eiaJin oB it AByxKoMnoHeHTHBK c n a a a o B M ,JI. y o x e p a , B . A . T s u u ie p a , K .A . R aceiccoHa h E . H a n - i i e p c a , c o 3 a a H a T e c p a a KpHCTanJiHsaiiHH o(5h k h c beH H oa j i z t o î î c t s j i« . h c x o a a k s
yToii TeopHH yK a a a H a b o b m o k h o c t b yn p anJieH H a n p o n e c c o v x p n c T a M H 3 a u n n j i h î o ü
c x a j u i n y r ë u 3s j i k b k h e ë b $ o p n u , H 3 r o T 0 sn e H H n e u s MaTepiiaJiOB c pa3Jm>iH0Z CKOPOCTBJO OTBO^a TenJIOTU.
- 4 3 -
Theory of the s o lid ific a tio n of cast carbon stee l
S u m m a r y
A theory of the s o lid ific a tio n of east carbon s te e l, based on the r e su lts of in v estig a tio n s concerning the s o lid ific a tio n of pure a e ta ls and binary a llo y s , carried through by J.L.W alker,W .A.Tiller, K,A.Jackson and B.Chalmers, has been presented. There have been shown
some p o s s i b il it ie s of co n tro llin g the process of the s o lid ific a tio n of c ast carbon s te e l, derived from the p rin cip le s of th is theory, i.e .b y using moulds with d iffe r e n t ra tes of heat ex tra ctio n .
