BADANIE WYPEŁNIANIA WNĘKI FORMY CIŚNIENIOWEJ SUSPENSJĄ KOMPOZYTOWĄ

Transkrypt

1 30/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN BADANIE WYPEŁNIANIA WNĘKI FORMY CIŚNIENIOWEJ SUSPENSJĄ KOMPOZYTOWĄ Z. KONOPKA 1, A. ZYSKA 2, M. CISOWSKA 3 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej, al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań próby wypełniania wnęki formy ciśnieniowej suspensją kompozytową i wyznaczono optymalne parametry odlewania ciśnieniowego kompozytów na osnowie stopu AlSi13Cu2 zbrojonych ciętymi włóknami węglowymi. Stwierdzono, że wytwarzanie odlewów cienkościennych z badanych kompozytów wymaga prędkości wtrysku w a =60m/s oraz grubości szczeliny wlewowej 1 mm. Przy tych parametrach następuje burzliwe wypełnienie wnęki formy ciśnieniowej i uzyskuje się odlewy o prawidłowej jakości. Key words: composites, carbon fibre, pressure diecasting. 1. WPROWADZENIE Wykonanie odlewów kompozytowych metodą odlewania ciśnieniowego różni się istotnie od odlewania klasycznych stopów. Kompozyty na osnowie stopu AlSi zbrojone cząstkami czy włóknami niemetalicznymi cechują się znacznie wyższą lepkością od ciekłych stopów. Lepkość wzrasta ze wzrostem udziału objętościowego stałej fazy umacniającej oraz zależy od kształtu fazy zbrojącej i zjawisk powierzchniowych na granicy metal-zbrojenie (zwilżanie, praca adhezji) [1-5]. W kompozytach na osnowie stopu AlSi z ciętymi włóknami węglowymi współczynnik lepkości dynamicznej wzrasta dziesięciokrotnie w porównaniu z ciekłym stopem. Pojawia się problem prawidłowego wypełniania wnęki formy i wykonania jakościowo dobrego odlewu, co wiąże się z wykonaniem badań optymalizacyjnych ciśnieniowego 1 dr hab. inż., konopka@mim.pcz.czest.pl 2 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl, 3 mgr inż., cis@mim.pcz.czest.pl

2 230 odlewania. Prawidłowe wypełnienie wnęki formy zależy głównie od prędkości wtrysku metalu w II fazie odlewania. Parametr ten może być precyzyjnie kontrolowany i ustalany przez nastawę prędkości tłoka w II fazie i przekrój wlewu doprowadzającego, a ściślej mówiąc przez grubość szczeliny wlewowej, ponieważ szerokość tej szczeliny zależy od grubości ścianki odlewu i stanowi z reguły 75% tej grubości. Czas wypełniania formy (wtrysku) zależy od czasu krzepnięcia odlewu (sprowadzonej grubości ścianki) i powinien on być jednakowy dla odlewów o różnej objętości wykonywanych w formie wielownękowej w jednym wtrysku. Jest oczywistym, że im cieńsza ścianka odlewu tym większa prędkość wtrysku i dla większości odlewów ciśnieniowych wypełnianie wnęki formy ma charakter burzliwy. Celem niniejszej pracy było ustalenia optymalnych parametrów odlewania ciśnieniowego kompozytów AlSi13Cu2-włókna węglowe na podstawie badań optymalizacyjnych wypełniani wnęki formy. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badania wykonano na kompozycie z osnową stopu AlSi13Cu2 zbrojonym włóknami węglowymi z pokryciem niklu (0,25 m) HTA 5M81 firmy TENAX o średnicy 7,5 μm i długości 5 mm. Kompozyty o udziałach objętościowych włókien 5, 10 i 15% wytworzono metodą mechanicznego mieszania przy następujących parametrach: czas mieszania 300s i prędkość kątowa mieszania mieszadła śmigłowego 10 s -1. Przygotowane suspensje kompozytowe odlewano do formy wielownękowej (rys. 1) zainstalowanej na maszynie ciśnieniowej zimno komorowej, poziomej DMKh160. W formie tej odlewane są próbki do badań własności mechanicznych oraz próba do badania wypełniania wnęki formy. W połówce wypełniającej formy znajduje się niedzielony układ wlewowy. Wlewy doprowadzające mają kształt prostokątny i zostały tak zaprojektowane, aby można było regulować grubość szczeliny wlewowej w zakresie od 0 do 4 mm. Próba wypełniania wnęki formy jest odlewem o wymiarach: szerokość 20mm, długość 150mm i grubość zmienna od wartości 3mm przy wlewie do 0,2mm przy przelewie. Odlew próby lejności jest podzielony na 15 sekcji o długości 10mm każda i zmniejszającej się grubości każdej sekcji co 0.2mm. Taka konstrukcja odlewu pozwala na ustalenie parametrów odlewania dla odlewów o grubości ścianki 0.2mm. Prawidłowe wypełnienie takiej formy jest, z jednej strony, kryterium optymalizacyjnym, z drugiej zaś gwarantuje wykonanie prawidłowych odlewów o grubszych ściankach.

3 WYNIKI BADAŃ Rys. 1. Połówka formy ciśnieniowej z wkładką do próby lejności Fig. 1. Diecasting die with an insert for castability test W celu ustalenia optymalnej prędkości wtrysku, grubości szczeliny wlewowej i zachowania burzliwego wypełniania formy wykonano badania lejności dla badanych kompozytów i porównawczo stopu Al12SiCu2. Prędkość wtrysku wyznacza się z równania ciągłości strugi w postaci: F v k k wa (1) f w gdzie: F k - powierzchnia tłoka, v k prędkość tłoka w II fazie, f w suma przekrojów wlewów doprowadzających Prędkość przepływu burzliwego wyznacza się z następującej zależności [6]:

4 232 V turb Re d w 1 2d d (2) gdzie: Re=2300 liczba Reynoldsa dla przepływu laminarnego, µ-współczynnik lepkości kinematycznej metalu, d w grubość wlewu, d-średnia grubość ścianki odlewu. W badaniach parametrów odlewania przyjęto następujące stałe wielkości: - sumaryczne objętość odlewów (4 próby wytrzymałościowe, 4 próby udarnościowe i próba lejności) wraz z przelewami i układem wlewowym wynosi V 0 =125cm 3, - średnica tłoka prasującego d k =40mm, - prędkość tłoka w I fazie v k1 =0.3m/s (stała), - stopień wypełnienia komory prasowania wynosi 60%, co daje drogę tłoka w czasie wypełniania h g =6cm, - siła zwarcia maszyny N z =1.6MN, - suma przekrojów wlewów doprowadzających na próbkach wytrzymałościowych i udarności wynosi f w (R m,u)=8sztx5mmx1.5mm=60mm 2. Przyjęto stosunkowo grube wlewy ze względu na wysoką lepkość kompozytów, - grubość wlewu na próbie lejności regulowana w zakresie mm, przy stałej szerokości 15mm, co daje zakres nastawy przekroju wlewu mm 2, - prędkość tłoka w II fazie regulowana w zakresie m/s, - średnia grubość ścianki odlewu próby lejności d=1.6mm, - lepkość kinematyczna kompozytu zawierającego 15% obj. ciętych włókien węglowych µ=10-5 m 2 /s. W celu wyboru zakresu zmian prędkości wtrysku dla próby lejności wykonano wykres dla przyjętych danych przedstawiony na rys. 2

5 W a, m/s v K = 4 m/s v Turb (kompozyt 15% WW) v Turb (kompozyt 5% WW) 60 v K = 3 m/s v K = 2 m/s v K = 1 m/s v Turb (stop AlSi13Cu2) Sf w, mm f w (L), mm d w (L), mm Rys. 2. Optymalny obszar prędkości wtrysku Fig. 2. The optimum range of the injection speed Obszar przepływu burzliwego znajduje się nad krzywą V turb. Poniżej tej krzywej występuje obszar wypełniania laminarnego nie gwarantujący prawidłowego wypełnienia wnęki przy odlewach cienkościennych. Dla przypadku odlewania masywnych odlewów ten zakres może być optymalny szczególnie ze względu na możliwość wykorzystania doprasowania (III faza). Dla badanych odlewów kompozytowych przyjęto założenie, że prędkość wtrysku musi znajdować się w obszarze przepływu burzliwego i w pobliżu linii granicznej, co daje możliwie maksymalne wartości f w i d w. Wzrost lepkości kompozytu powoduje przesunięcie w górę obszaru optymalnych prędkości wtrysku, co wymaga także zastosowania większych prędkości tłoka. Czysty stop osnowy zgodnie z wykresem może być odlewany przy niższych prędkościach wtrysku, które powinny gwarantować uzyskanie dobrych jakościowo odlewów. Wyznaczone z badań wypełniania prędkości wtrysku, przy których otrzymuje się prawidłowe odlewy będą miały górne graniczne wartości i gwarantują wytworzenie prawidłowych odlewów o grubszych ściankach. Przyjmując te założenia wykonano odlewy ciśnieniowe prób lejności kompozytów o udziale objętościowym włókien 5, 10 i 15% dla różnych prędkości wtrysku. Miarą lejności jest długość wypełnienia wnęki formy odlewu próbnego a także jego jakość oceniana pod względem występowania wad odlewniczych. Wyniki badań lejności badanych kompozytów i stopu osnowy wraz z parametrami odlewania ciśnieniowego przedstawiono w tabeli 1 i zilustrowano na rys. 3.

6 234 Tabela 1. Wyniki badania lejności kompozytów odlewanych ciśnieniowo Table 1. Results of investigating the castability of pressure cast composites Wypełnienie wnęki formy, cm AlSi13Cu2 AlSi13Cu2 AlSi13Cu2 Szerokość AlSi13Cu2 + 5%WW + 10%WW + 15%WW wlewu d w =1,5 mm d w =1 mm d w =1 mm d w =1 mm W a L i L S L L i L S L L i L S L L i L S L 8,8 5,0 0,6 0,2 9,2 4,2 1,7 1,1 10 m/s 8,7 9,0 0,25 4,7 4,5 0,40 0,8 1,2 0,53 0,9 0,8 0,41 9,3 4,6 1,1 0,6 9,0 4,0 1,8 1,2 10,8 4,5 0,9 11,5 4,0 1,9 20 m/s 11,0 11,0 0,38 3,6 4, ,2 1,2 0,46 10,5 4,9 1,3 11,2 4,5 0,7 12,0 4,5 10,6 2,7 30 m/s 11,3 11,0 0,72 3,0 3,6 0,73 11,2 3,7 10,1 4,0 8,2 7,2 40 m/s 7,5 7,0 0,94 6,0 6,1 12,4 11,0 50 m/s 10,5 12,0 11,6 11,5 0,76 60 m/s

7 L, cm AlSi13Cu2 2 - AlSi13Cu2 + 5%WW 3 - AlSi13Cu2 + 10%WW 4 - AlSi13Cu2 + 15%WW W a, m/s Rys. 3. Próba wypełniania wnęki formy badanych kompozytów Fig. 3. Results of the die cavity filling test for the examined composites Na podstawie uzyskanych wyników można jednoznacznie stwierdzić, że ze wzrostem udziału objętościowego włókien w kompozycie wzrasta prędkość wtrysku gwarantująca prawidłowe wypełnienie wnęki formy. Pojawiło się jednocześnie ograniczenie grubości wlewu. Grubość 1mm okazała się optymalną. Sprawdzające próby odlewania kompozytów przy grubości wlewu 0.5mm, nie pokazane tutaj, nie dały pozytywnych rezultatów. 4. PODSUMOWANIE Obecność fazy zbrojącej w kompozycie zwiększa jego lepkość i wymaga skorelowania dwóch podstawowych parametrów odlewania ciśnieniowego prędkości wtrysku oraz grubości wlewu. Przedstawione badania optymalizacyjne ciśnieniowego odlewania kompozytów na osnowie stopu AlSi13Cu2 z ciętymi włóknami węglowymi pozwoliły na wyznaczenie parametrów gwarantujących uzyskanie jakościowo prawidłowych odlewów. Ustalono, że odlewy kompozytowe z 15% udziałem włókien otrzymuje się przy prędkości wtrysku w a =60m/s i grubości wlewu d w =1mm. Przy takich parametrach udaje się spełnić ważne dla odlewania ciśnieniowego odlewów cienkościennych zasady wysokiej prędkości wtrysku i cienkiego wlewu doprowadzającego.

8 236 LITERATURA [1] Mortensen A., Jin I., Solidification Processing of Metal Matrix Composites, International Materials Reviews, 37, pp , [2] Surappa M., K., Rohatgi P., K., Fluidity of Al-Si-Al 2 O 3 Composites, Metallurgical Transactions B, 12B, pp , [3] Campbell J., Review of Fluidity Concepts in Casting, Cast Metals, 7, pp , [4] Doutre D., Foundry Experience in Casting Aluminium Metal Matrix Composites, Trans. Amer. Found. Soc., 101, pp , [5] Emamy Ghomy E., Campbell J., The Flowability of Particulate TiB 2 -Containing Metal Matrix Composite, Cast Metals, 8, pp.13-20, [6] Białobrzeski A., Odlewnictwo ciśnieniowe, WNT, Warszawa, INVESTIGATING THE PROCESS OF FILLING THE DIE CAVITY WITH COMPOSITE SUSPENSION SUMMARY Results of investigating the process of filling the die cavity with composite suspension have been presented and optimum parameters of pressure die-casting have been selected for the AlSi13Cu2 alloy matrix composite reinforced with chopped carbon fibre. It has been found that producing of thin-wall composite castings of this material demands for injection speed w a = 60 m/s and the width of the injection gate equal to 1 mm. Turbulent filling of the die-casting die cavity occurs at these parameters and the proper quality of castings is obtained. Recenzował Prof. Józef Śleziona