Analiza parametrów krystalizacji eliwa chromowego w odlewach o rónych modułach krzepnicia

Transkrypt

1 AMME 23 12th Analiza parametrów krystalizacji eliwa chromowego w odlewach o rónych modułach krzepnicia A. Studnicki Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Zakład Odlewnictwa, Politechnika lska, ul.towarowa 7, 44-1 Gliwice, Poland W artykule przedstawiono now metod badania procesu krystalizacji stopów odlewniczych w zalenoci od szybkoci stygnicia odlewu. Zestaw 4 próbników z izolacj ciepln umoliwia rejestracj procesu stygnicia odlewów o rónych modułach krzepnicia. Metod przetestowano na eliwie chromowym odpornym na cieranie o stałej zawartoci chromu około 18% i zmiennej zawartoci wgla, na trzech poziomach 1.8; 2.4; 3.3%. 1. WPROWADZENIE Szybko stygnicia odlewu ma istotny wpływ na struktur a w konsekwencji na własnoci uytkowe wyrobu. Przewidywanie struktury w przyszłym odlewie w znacznym stopniu moe ułatwi właciwy dobór tworzywa, jego składu chemicznego oraz technologii odlewania. Parametry krystalizacji stopów odlewniczych s zalene od szybkoci stygnicia, co jest stwierdzeniem wielokrotnie udowodnionym. Z tego wzgldu charakterystyki stopów odlewniczych powinny uwzgldnia ten fakt. Powinny by znane funkcje, które okrelaj wpływ składu chemicznego i szybkoci stygnicia na parametry opisujce cały proces krystalizacji tj. w zakresie krzepnicia jak równie w stanie stałym. W Katedrze Odlewnictwa Politechniki lskiej (obecnie Zakładzie Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inynierskich i Biomedycznych) procesy krystalizacji stopów odlewniczych s badane od wielu lat. Wykorzystuje si do tego celu głównie znan metod ATD opracowan przez profesora Jur. Metoda ta opisuje jednak proces krystalizacji tylko dla jednej cile okrelonej geometrii odlewu. Próba wykorzystania jednego próbnika do okrelania parametrów krystalizacji w funkcji szybkoci stygnicia nie spełniła oczekiwa. Podstawow przeszkod okazała si trudno w interpretacji krzywych stygnicia i ich pochodnych. Krzywe stygnicia rejestrowane poza centrum cieplnym odlewu uniemoliwiaj precyzyjny odczyt parametrów krystalizacji, trudno ta wzrasta wraz z oddalaniem si od centrum cieplnego. Metod z jednym próbnikiem opisano w publikacji [1]. Wykorzystujc to dowiadczenie oraz standardow metod ATD opracowano metod 4 próbników (wstpnie nazwan metod ATD-kaskada). Szerzej metod opisano w nastpnym punkcie artykułu. Now metod badania krystalizacji w funkcji szybkoci stygnicia odlewu przetestowano na eliwie chromowym uzyskujc bardzo interesujce wyniki. eliwo chromowe jest cennym materiałem na odlewy odporne na cieranie, czsto odlewy grubocienne. Własnoci

2 858 A. Studnicki uytkowe takich odlewów nie zale tylko od składu chemicznego, ale w duej mierze od procesu ich stygnicia, który w zasadniczy sposób kształtuje struktur. 2. NOWA METODA BADAWCZA (ATD-kaskada) Przy opracowywaniu metody ATD-kaskada zastosowano podstawow zasad, e pomiar temperatury w centrum cieplnym odlewu najlepiej charakteryzuje proces krystalizacji stopu (najłatwiej odczyta parametry krystalizacji). Z tego wzgldu skonstruowano serie próbników walcowych o rónych rednicach, tak dobranych aby znacznie zrónicowa szybkoci stygnicia odlewu. Przy doborze cech geometrycznych próbników wykorzystano symulacje komputerow. Aby zminimalizowa rozmiary odlewów przy zachowaniu zrónicowanych szybkoci stygnicia próbek zastosowano materiały termoizolacyjne (sibral 3) oraz wprowadzono dla wikszych próbników dodatkow izolacj ciepln. Ostatecznie przyjto nastpujce rednice d próbników: φ3 mm, φ6 mm, φ8 mm i φ1 mm oraz wysoko równ 1.5d. Moduły krzepnicia obliczone klasyczn metod wynosz odpowiednio:.56; 1.125; 1.5; cm. Precyzyjne okrelenie połoenia centrum cieplnego odlewu jest prawie niemoliwe na podstawie symulacji komputerowej, chociaby ze wzgldu na mał precyzj dostpnych parametrów termofizycznych materiałów. Z tego wzgldu postanowiono w próbnikach umieszcza co najmniej 2 termoelementy (najlepiej 3). W najwikszym próbniku φ1 mm zaleca si umieszcza 5 termoelementów. Wariant taki został przetestowany w wczeniejszych badaniach [2]. Uzyskano bardzo interesujce wyniki zwizane ze stygniciem całego obszaru odlewu od centrum cieplnego do powierzchni czołowej próbki modelowej. Takie rozwizanie pozwala na dokładniejsz rejestracj krzywej stygnicia w miejscu najbardziej zblionym do centrum cieplnego odlewu, bez wzgldu na rodzaj stopu, materiału formierskiego i temperatury przegrzania. W załoeniach do konstrukcji próbników przyjto jeszcze jeden wany punkt. Z kadego próbnika powinnimy uzyska tzw. próbk modelow o rednicy φ3 mm (odlew modelowy φ3) stanowic materiał do dalszych bada, szczególnie do bada metalograficznych, bada niektórych własnoci mechanicznych. Problem ten rozwizano stosujc w próbnikach powyej φ3 mm wkładk cylindryczn z materiału termoizolacyjnego. Na rys.1 przedstawiono konstrukcj próbnika φ3 i φ8 mm. Dla pełnego opisu układu odlew-forma naleałoby rejestrowa równie krzywe nagrzewania i stygnicia formy odlewniczej. Z tego wzgldu naley wprowadzi dodatkowe termoelementy do formy odlewniczej w osi próbnika. W prezentowanych badaniach tego nie wykonano. Nowe stanowisko badawcze do rejestracji krzywych stygnicia wg metody ATD-kaskada składa si z zestawu 4 próbników, przetwornika A/C wielokanałowego i komputera PC. Na rys.2 przedstawiono schemat tego stanowiska. 3. CEL BADA, MATERIAŁ I PRZEBIEG BADA Celem bada było testowanie nowej metody oraz okrelenie wpływu szybkoci stygnicia odlewu na parametry krystalizacji eliwa chromowego odpornego na cieranie. Do bada wytypowano eliwo chromowe o stałej zawartoci chromu (około 18%) i zmiennej zawartoci wgla na trzech poziomach (1.8%; 2.4% i 3.3%). Wykonano trzy wytopy. Proces stygnicia zestawu próbników dla kadego wytopu rejestrowano do momentu osignicia w najwikszym próbniku φ1 mm temperatury poniej 5 o C. Czas ten wynosił około 3 godzin.

3 Analiza parametrów krystalizacji eliwa chromowego φ8 φ3 3 6 φ Rys.1 Konstrukcja próbników φ3 mm i φ8 mm. 1 odlew próbki (odlew modelowy φ3), 2 izolator cieplny, 3 materiał izolacyjny (sibral 3), 4 wkładka-forma, 5 rura stalowa, 6 osłonki kwarcowe Rys.2 Schemat stanowiska badawczego w metodzie ATD-kaskada 1 -zestaw próbników, 2 wielokanałowy przetwornik A/C, 3 komputer PC

4 86 A. Studnicki 4. PARAMETRY KRYSTALIZACJI ELIWA CHROMOWEGO Na rys.3 przedstawiono przykładowe krzywe stygnicia dla eliwa chromowego oznaczonego C24Cr18 o nastpujcym składzie chemicznym: C=2.4%; Cr=18%. S to krzywe zarejestrowane najbliej centrum cieplnego odlewów. Na tych krzywych ju widoczne s przemiany zachodzce podczas krzepnicia stopu oraz w stanie stałym. Na Krzyw e stygnicia w ytop C24Cr18 temperatura [ o C] T1 T8 T6 T Rys.3 Krzywe stygnicia zarejestrowane w próbnikach φ3, φ6, φ8, φ1 wytop C24Cr18 obecnym etapie pracy krzywe stygnicia poddano analizie podobnej do analizy w standardowej metodzie ATD ale tylko w zakresie krzepnicia. Na podstawie krzywych stygnicia i ich pierwszych pochodnych okrelano parametry krystalizacji. Na rys.4 przedstawiono wykresy stygnicia i krystalizacji dla poszczególnych próbników tylko w zakresie krzepnicia eliwa. W tabeli 1 zestawiono parametry krystalizacji badanego eliwa chromowego. φ1.1 φ temperatura [ o C} temperatura [ o C] Rys.4.1 Krzywe stygnicia i krystalizacji φ1, φ8 wytop C24Cr18

5 Analiza parametrów krystalizacji eliwa chromowego 861 temperatura [ o C} φ temperatura [ o C] φ Rys.4.2 Krzywe stygnicia i krystalizacji φ6, φ3 wytop C24Cr18 Tabela 1 Wybrane parametry krystalizacji eliwa chromowego φ TZ TL TS TH VZL VZS VZH VLS VLH Wytop mm o C K/s C18Cr C24Cr C33Cr TZ, TL, TS, TH temperatury: zalewania, likwidus, solidus, koca krzeonicia VZL, VZS, VZH, VLS VLH rednie szybkoci stygnicia w zakresie w/w temperatur 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przedstawione w tabeli 1 szybkoci stygnicia s wartociami rednimi w okrelonych zakresach stygnicia odlewu. Rzeczywista szybko stygnicia ulega cigłej zmianie, jednak dla uproszczenia analizy przyjto wartoci rednie. Która z obliczonych rednich prdkoci (a moe inna) najlepiej charakteryzuje wpływ szybkoci stygnicia na parametry krystalizacji jeszcze ostatecznie nie zdefiniowano. Po wstpnej analizie mona przyj, e moe to by szybko stygnicia stopu w stanie ciekłym tj. VZL. Na rys.5 przedstawiono jak charakterystyczne temperatury przemian TL i TS zmieniaj si w funkcji szybkoci

6 862 A. Studnicki stygnicia VZL dla okrelonego składu chemicznego. Widzimy tutaj znaczny wpływ tej szybkoci na parametry temperaturowe. Funkcj opisujc charakterystyczne temperatury w zalenoci od szybkoci stygnicia okrelono na razie na podstawie arkusza kalkulacyjnego EXCEL za pomoc dostpnych funkcji trendu. Po wykonaniu wikszej iloci eksperymentów bdzie moliwe poszukiwanie funkcji opisujcej parametry krystalizacji w zalenoci od składu chemicznego i szybkoci stygnicia. Przedstawione w artykule wyniki bada daj du nadziej na zrealizowanie tego celu TL, TS = f(vzl) 128 TL, TS [ o C] TL= 1268VZL -.62 R 2 =.98 TS = 1251VZL -.48 R 2 = VZL [K/s] Rys.5 Temperatury przemian w funkcji szybkoci stygnicia VZL wytop C33Cr18 Na podstawie przeprowadzonych bada sformułowano nastpujce wnioski i uwagi do dalszych bada: - nowa metoda umoliwia badanie wpływu szybkoci stygnicia na parametry krystalizacji stopu odlewniczego, - zastosowanie materiałów izolacyjnych (sibral 3) i izolacji cieplnej próbników umoliwia uzyskanie odlewów modelowych φ3 mm, które mog by przeznaczone do dalszych bada (np. metalograficznych, własnoci mechanicznych itd.), - wkładka-forma umoliwia zastosowanie rónych materiałów formierskich w badaniach procesu krystalizacji stopów odlewniczych, - do pełniejszego opisu stygnicia układu odlew-forma sugeruje si umieci termoelementy dodatkowo w formie (wkładka-forma). LITERATURA 1. Studnicki A.: Badanie procesu krystalizacji odlewniczych materiałów odpornych na cieranie. Archiwum Odlewnictwa, PAN-Katowice, rocznik 2, nr 4, 22, 2. Studnicki A., Przybył M: Analiza fazy wglikowej eliwa chromowego na przekroju modelowego odlewu. Archiwum Odlewnictwa, PAN-Katowice, rocznik 3, nr 8, 23, 3. Badania własne Katedry Odlewnictwa Politechniki lskiej (niepublikowane).