ZDOLNOŚĆ DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al Si DO ODWZOROWANIA FORMY

Transkrypt

1 14/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 2002, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN ZDOLNOŚĆ DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al Si DO ODWZOROWANIA FORMY J. MUTWIL 1, R. JANOWSKI 2 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego ul. Podgórna 50, Zielona Góra STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań zdolności aluminium i jego stopów z krzemem do odwzorowania formy. Przepływ realizowano w pionowym, metalowym kanale 16 mm. Key words: metal flow, mould surface reproducibility, aluminum-silicon alloys 1. WPROWADZENIE Zdolność metali i stopów do wypełniania form odlewniczych jest parametrem złożonym. Obejmuje on bowiem zarówno zdolność metalu do przepływu we wnęce formy (lejność), jak i zdolność do odwzorowania szczegółów jej powierzchni. Często obie te cechy nie idą w parze i dobrej lejności towarzyszy słaba zdolność metalu do odwzorowania formy lub odwrotnie. Przy założonym ciśnieniu metalostatycznym zdolność do odwzorowania powierzchni formy zależy przede wszystkim od napięcia powierzchniowego metalu i zwilżalności materiału formy, które to parametry stają się istotne dla lejności dopiero w przypadku przepływu w bardzo wąskich przekrojach. Ciśnienie zalewania, jako czynnik powodujący wnikanie metalu w kapilary, powinno mieć istotny wpływ na zdolność do odwzorowania formy przede wszystkim w formach gruboście n- nych, bądź wolno odprowadzających ciepło. W formach, w których momentalnie tworzy się w obszarze czoła strugi trwały naskórek fazy stałej istotne jest już tylko ciśnienie tam panujące (pojedyncze centymetry słupa metalu). W omawianym przypadku szczególnego znaczenia nabiera gęstość ciekłego metalu i uwarunkowana typem krzepnięcia wytrzymałość tworzącego się naskórka fazy stałej. 1 dr hab. inż., prof UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 2 mgr inż., r.janowski@iipm.zu.zgora.pl 135

2 Ważniejsze próby technologiczne do oceny zdolności metali i stopów do odwzorowania formy zostały przedstawione w pracy [1]. Żadna ze znanych prób nie pozwala na ocenę temperatury metalu, w której traci on zdolność do odwzorowania. Wartość tej temperatury można jednak ocenić, rejestrując jednocześnie krzywą przepływu (odniesiona do czasu krzywa zmian położenia czoła strugi względem wlotu do kanału) metalu w odpowiednio ukształtowanym kanale formy oraz temperaturę czoła strugi. 2. OPIS BADAŃ Poniżej przedstawiono schemat stanowiska do badania zdolności metali i stopów do wypełniania form odlewniczych techniką odlewania niskociśnieniowego. Zastosowane tu i opisane w pracy [2] rozwiązania aparaturowe zapewniają rejestrację przebiegu przepływu i temperatury czoła strugi w okresie zalewania kanału formy próbnej 1. Rys. 1. Stanowisko do badań lejności; (a) - schemat idei pomiarowej: 1- termoelement, 2- elektroda kontaktowa; (b) - schemat stanowiska: 1-tuleja testowa, 2-wnęka wstępna, 3- czop, 4- stalowa komora pieca, 5-pokrywa komory, 6- grafitowa rura, 7- liniowy silnik krokowy, 8- ruchoma elektroda kontaktowa, - termoelement, 10- czujnik ciśnienia, 11- wlot i wylot powietrza, 12- sterownik silnika, 13- mikroprocesorowy rejestrator, 14- mikrokomputer Fig. 1. Stand for fluidity investigation; (a) - scheme of measuring idea: 1- thermocouple, 2- contact electrode; (b) scheme of stand : 1-test sleeve, 2-entrance cavity, 3- peg, 4- furnace steel chamber, 5-chamber s cover, 6- graphite pipe, 7- linear stepper motor, 8- movable contact electrode, - thermocouple, 10- pressure sensor, 11- outlet and inlet of air, 12-motor controller, 13- microprocessor recorder, 14- microcomputer 136

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Poza temperaturą czoła strugi, na stanowisku można rejestrować temperaturę w jedenastu wybranych, stałych punktach układu metal-forma (temperatura we wnęce wstępnej, temperatury w ściance kanału przepływowego). W badaniach zdolności do wypełniania form stosowana jest wykonana ze stali WCL forma próbna z kanałem przepływowym o średnicy 16 mm. Wzdłuż całej wysokości kanału (180 mm) na płaszczyźnie podziałowej formy wyfrezowany jest rowek 1x1 mm, którego odtworzenie przez bad a- ny metal jest analizowane. Poddane badaniom stopy przygotowano, wtapiając krzem do ciekłego aluminium technicznego A0. Uzyskaną koncentrację krzemu (tabela 1) zbadano w Hucie Aluminium Konin. Przepływ realizowano w formach podgrzanych do 150 ºC. W badaniach stosowano prędkości zalewania z przedziału: 2-16 cm/s. We wszystkich eksperymentach ciśnienie robocze w komorze pieca było na poziomie 14 kpa, a prędkość zalewania ustalano poprzez odpowiednie ustawienie czopa 3 regulującego wysokość szczeliny wlewu doprowadzającego. Stopy zalewano, stosując przegrzanie w zakresie: deg. W pojedynczym pomiarze, po uzyskaniu przez metal ustalonej temperatury, zakładano na wnękę wstępną 2 podgrzaną formę testową 1. Po zainstalowaniu termoelementów i ustaleniu szczeliny doprowadzającej wprowadzano elektrodę kontaktową 8 do przestrzeni kanału, tak - aby końcówka jej termoelementu była na poziomie szczeliny d o- prowadzającej. Po otwarciu zaworu 11 metal wpływał do wnęki wstępnej i kanału przepływowego, a pierwsze jego zetknięcie z termoelementem elektrody kontaktowej automatycznie uruchamiało rejestrację sygnałów pomiarowych. Rys. 2. Przykład odlewu. Fig. 2. Example of casting. 137

4 Przykładowy odlew pręta 16 ze wskazanymi strzałkami miejscami, w których nastąpiła utrata zdolności do odwzorowania formy pokazano na rysunku 2. Położona niżej strzałka wskazuje na miejsce, od którego metal wypełniał rowek jedynie częściowo. Od miejsca wskazanego drugą strzałką metal praktycznie do rowka już nie wpływał. Przykład rejestrowanych i analizowanych w badaniach zdolności do wypełniania form s y- gnałów przedstawia rysunek 3. Na rysunku ukazano temperaturę czoła strugi T(t) wraz z pochodną T (t) oraz krzywą przepływu h(t) i jego prędkość v(t), a dużymi literami oznaczono charakterystyczne etapy procesu zalewania i krystalizacji. Wskazują one na: A- wpłynięcie metalu do wnęki wstępnej, B- wpłynięcie metalu do kanału, C- przechłodzenie zarodkotwórcze, D- przechłodzenie eutektyczne, E- temperaturę eutektyczną, K- koniec przepływu, L- temperaturę likwidus, O- utratę zdolności do odwzorowania. W polu rysunku wydrukowano wartości temperatury i położenia czoła strugi odp o- wiadające punktom charakterystycznym oraz wartość średniej prędkości przepływu. Na rysunku naniesiono też poziome linie punktowane obrazujące zakres temperatur krzepnięcia stopu w próbniku ATD (TL=65.5 ºC, TE=576 ºC). Temperatury te są wyraźnie wyższe od swych odpowiedników w przepływie. Analiza wykresu pozwala zauważyć, że przepływ został zablokowany w temperaturze znacznie niższej od temperatury początku krzepnięcia (T K = 55.6 ºC), a metal utracił zdolność do odwzorowania formy tuż po osiągnięciu temperatury likwidus, przepłynąwszy w kanale odcinek 7.74 cm. T (t) h(t) v(t) T(t) Rys. 3. Przepływ stopu Al-Si 21.4; krzywe: T(t), T'(t), h(t), v(t). Fig. 3. Flow of Al-Si 21.4 alloy; T(t) - stream head temperature, T'(t) - time derivative of T(t), h(t) - flow curve, v(t) - flow rate. 138

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA W tabeli 1 zestawiono dla wszystkich badanych stopów parametry określające ich zdo l- ność do pełnego odwzorowania formy, określoną wg kryterium położenia pierwszej strzałki. Koncentracja krzemu w badanych stopach odpowiada wartościom spotykanym w typowych siluminach, bądź wynika z punktów charakterystycznych układu Al Si. Aby ograniczyć wielkość tabeli podano w niej jedynie wartość średnią analizowanych parametrów i przedział ufności określony z rozkładu t-studenta dla poziomu ufności =0.. Znaczna szerokość przedziałów ufności przy przyjętym poziomie ufności świadczy o dużych rozrzutach analizowanych wielkości. Tablela 1. Charakterystyka zdolności badanych stopów do odwzorowania formy Table 1. Characteristic of mould surface reproducibility of investigated alloys Stop T odw, deg h odw, cm h odw /h zal Ilość w. śr. p. ufności w. śr. p. ufności w. śr. p. ufności prób A0 30,4 17,2 43,6 0,6 0,21 1,17 0,058 0,01 0,06 AlSi ,8 15,1 40,5 0,88 0,25 1,51 0,06 0,021 0,116 AlSi ,8 6,6 40, 0,27 0,05 0,48 0,025 0,006 0,044 AlSi 5.2 3,3 23,8 54, 0,71 0,17 1,26 0,053 0,023 0, AlSi ,6 25,1 64,1 1,30 0,74 1,86 0,158 0,108 0,207 AlSi ,8,2 48,3 1,04 0,73 1,34 0,162 0,131 0,12 AlSi.4 4,6 2,4 6,8 4,23 3,04 5,42 0,574 0,48 AlSi ,1 58,6 105,6 0,67 0,35 0, 0,101 AlSi , 23,5 64,2 1,17 0,57 1,78 0,131 AlSi ,82-5,26 8, 2,60 1,26 3,4 0,234 AlSi ,2-35, -16,5 6,17 4,51 7,82 0,627 T odw = T odw T L, T L temperatura likwidus w próbie ATD, T odw temperatura utraty zdolności do odwzorowania, h odw, h zal wysokość odwzorowania i wysokość zalania, w.śr., p. ufności wartość średnia i przedział ufności, Poziom ufności = 0.. 0,64 0,05 0,144 0,062 0,1 0,137 0,331 0,558 0,

6 Analiza zgromadzonych w tablicy wartości pozwala zauważyć, że aluminium i stopy pod- i okołoeutektyczne traciły zdolność do odwzorowania wyfrezowanego rowka jes z- cze w stanie przegrzanym. Z punktu widzenia odtwarzalności największego przegrzania wymagał stop o koncentracji krzemu 11.7 %, natomiast dla koncentracji krzemu.4 % odtwarzalność była zachowana przy kilku stopniowym przegrzaniu. Pozostałe stopy z tej grupy traciły odtwarzalność przy przegrzaniu z przedziału: deg. Stopy nadeutektyczne traciły zdolność do odtwarzania w pobliżu temperatury likwidus (Al - Si 18), bądź znacznie poniżej jej poziomu (Al Si 21.4). Wysokość odtwarzania, bądź jej stosunek do wysokości zalania kształtowały się bardziej różnorodnie w chara k- terystycznych obszarach układu Al - Si. Najgorszą odtwarzalność wykazał stop o składzie zbliżonym do maksymalnej rozpuszczalności krzemu w fazie, pozostałe tworzywa jednofazowe również źle odtwarzały formę. W zakresie dwufazowych stopów pod - i okołoeutektycznych niską odtwarzalność miał stop o koncentracji krzemu 5.2 % i okołoeutektyczny Al Si Zdecydowanie najlepiej odtwarzał formę silumin Al Si.4. Stopy nadeutektyczne, a szczególnie Al Si 21.4, wykazały dobrą odtwarzalność. 3. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki badań mogą być adekwatne jedynie dla odlewania kokilowego lub cienkościennych form piaskowych, gdy nie ma możliwości ponownego nadtapiania zakrzepłej na ściance formy skorupy. W zastosowanej próbie zdolność do odtwarzania determinowana jest w obszarze czoła strugi, gdzie panuje zawsze nieznaczne nadciśnienie i jest silnie zależna od napięcia powierzchniowego i błonowego metalu, jego gęst o- ści i wytrzymałości warstwy zakrzepłej. LITERATURA [1] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych, WNT, Warszawa (2000). [2] Mutwil J., Żygadło M., Janowski R., Niedźwiecki D.: Nowe stanowisko do badań lejności, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 44, 2000, s Badania prowadzono w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach SUMMARY MOULD SURFACE REPRODUCIBILITY OF Al Si ALLOYS The investigations results of mould surface reproducibility of aluminum and Al - Si alloys have been presented. The metal flow was realized in vertical metal channel of 16 mm diameter. Recenzował: prof. dr hab. inż. Przemysław Wasilewski 140