ROLA TRWAŁOŚCI FRONTU KRYSTALIZACJI W ODLEWACH KRZEPNĄCYCH W POLU MAGNETYCZNYM

Transkrypt

1 19/37 Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998 PAN Katowice PL ISSN ROLA TRWAŁOŚCI FRONTU KRYSTALIZACJI W ODLEWACH KRZEPNĄCYCH W POLU MAGNETYCZNYM SZAJNAR Jan Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska Gliwice, ul. Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE W pracy przeprowadzono analizę trwałości frontu krystalizacji stosując stężeniowe kryterium stabilności. Wyznaczono miejsce utraty trwałości i ciągłości komórkowego frontu krystalizacji i dla tego miejsca obliczono wartości gradientów krytycznych. Przy warunku G kryt. G odlew krzepnie z nietrwałym frontem krystalizacji, co potwierdzono wynikami badań. Potwierdzono również stabilizujące działanie ruchu ciekłej fazy wywołanego przez pole magnetyczne na trwałość frontu krystalizacji. 1. WPROWADZENIE Oddziaływanie pola elektromagnetycznego zmienia przebieg procesu krystalizacji odlewu. Pole magnetyczne wywołuje wymuszony ruch ciekłej fazy względem frontu krystalizacji. Wynikiem działania tego ruchu jest zmiana struktury w odlewie. Zmienia się szerokość strefy kryształów kolumnowych, a kryształy w tej strefie zmieniają kierunek wzrostu - powstają kryształy spiralne. Zmiany te możliwe są jednak tylko przy krzepnięciu odlewu z conajmniej komórkowym frontem krystalizacji [1-4]. Istnienie takiego lub bardziej rozwiniętego frontu wymaga spełnienia podstawowego warunku jakim jest minimalne stężenie składnika stopowego w stopie lub zanieczyszczeń w technicznie czystych metalach. Spełnienie tego warunku dotyczy tych odlewów, które tradycyjnie w formie odlewniczej (kokili) krzepną ze strefą kryształów kolumnowych. W pracach [4-8] udowodniono, że w niektórych stopach jednofazowych, np. ZnAl już zawartość 0,05% Al powoduje powstanie komórkowego frontu krystalizacji, a działanie pola magnetycznego wywołuje zmiany w strukturze odlewów. Natomiast w odlewach wykonywanych z czystych metali (Al99,99; Zn99,99) pod działaniem pola magnetycznego, w tych samych warunkach cieplnych co odlewy tradycyjne, nie rejestruje się zmian w strukturze. Z dotychczasowych prac autora [3,7,8] wynika, że przy krystalizacji odlewu z płaskim i ciągłym frontem krystalizacji, tj. przy bardziej czystych metalach, efekt oddziaływania wymuszonej konwekcji jest niezauważalny. Przy większym stężeniu składnika stopowego (przedział C min - C gr., rys. 1), uzyskuje się zmiany w szerokości strefy kryształów kolumnowych,

2 140 a kryształy w tej zmieniają kierunek wzrostu o kąt ϕ. W takich warunkach odlew krzepnie przy komórkowym lub dendrytycznym froncie krystalizacji. Rys. 1. Zmiana szerokości strefy kryształów kolumnowych i ich kąta wzrostu w zależności od czystości metalu przy krzepnięciu odlewu w polu magnetycznym Fig. 1. The width of columnar crystals zone and direction of crystals growth as function of alloy addition in casting solidified in forced convection Głównym celem stosowania pola magnetycznego przy wykonywaniu odlewów jest uzyskanie drobnokrystalicznej i jednorodnej struktury, a przede wszystkim likwidacja lub zmniejszenie strefy kryształów kolumnowych. Strefa kryształów kolumnowych jest wynikiem krzepnięcia kierunkowego. Tworzenie się struktur zorientowanych uwarunkowane jest m.i. trwałością frontu krystalizacji. Przy ciągłym komórkowym lub dendrytycznym (częściej komórkowo-dendrytycznym) froncie tworzy się strefa kryształów kolumnowych. O jej wielkości (szerokości) decyduje: prędkość wzrostu kryształów (prędkość przesuwania się frontu) i trwałość frontu krystalizacji. Badania wykazały [2,8], że przy odlewaniu w polu magnetycznym niektórych stopów (np. ZnAl0,1), mimo zbliżonych prędkości wzrostu kryształów kolumnowych uzyskuje się większą strefę tych kryształów niż w odlewach wykonywanych bez oddziaływania pola

3 141 (wymuszonej konwekcji). Wyniki te tworzą podstawy do postawienia tezy, że istotniejszym warunkiem decydującym o szerokości strefy kryształów kolumnowych w odlewach krzepnących przy wymuszonej konwekcji może być stabilność frontu krystalizacji niż prędkość wzrostu tych kryształów. Na stabilność frontu krystalizacji, określaną zarówno kryterium stężeniowym jak i dynamicznym, wpływają dwa podstawowe parametry: - warunki wzrostu utożsamiane z warunkami termicznymi i kinetycznymi krzepnięcia odlewu, tj. gradientem temperatury na froncie krystalizacji G l i prędkością krystalizacji V, - warunki materiałowe - parametr materiałowy, w którym istotną rolę odgrywa stężenie C o. Stężeniowe kryterium stabilności płaskiego frontu krystalizacji, które przyjęto do analizy w niniejszej pracy G V mc D k 0 0 k 0 1 ( 1 ) gdzie: G - gradient temperatury, C 0 G T = x V - prędkość krystalizacji, x V = t m - współczynnik kierunkowy linii likwidus, k o - współczynnik rozdziału faz, k o C = C D - współczynnik dyfuzji, s l - stężenie początkowe, zostało wyznaczone z wieloma ograniczeniami dotyczącymi m.i. stacjonarnych warunków krystalizacji i dodatniego gradientu temperatury na froncie. W rzeczywistych warunkach tworzenia się strefy kryształów kolumnowych w odlewie proces krystalizacji obejmuje także zjawiska kinetyczne na froncie krystalizacji oraz jego pewne zaburzenia i niejednorodności. W warunkach krystalizacji odlewu przy wymuszonej konwekcji ich analiza ulega pewnym uproszczeniom np. przyjmuje się jednorodność chemiczną i termiczną ciekłej fazy, a stężeniowe kryterium trwałości frontu krystalizacji zachowuje ważność jeżeli zamiast C o wprowadzi się do niego C s [9-11].

4 METODYKA BADAŃ Celem badań było określenie warunków zmiany struktury kolumnowej na równoosiową w odlewach krzepnących przy wymuszonej konwekcji czyli określenie warunków przejścia od płaskiego do komórkowego bądź dendrytycznego frontu krystalizacji z końcową utrartą jego ciągłości. Zakres pracy wynikał z przyjętego do analizy kryterium trwałości frontu krystalizacji i obejmował przeprowadzenie badań mających na celu określenie V, G. Prędkość krystalizacji "V" została wyznaczona doświadczalnie poprzez pomiar prędkości przyrostu warstwy zakrzepłej metodą wylewania. Gradienty temperatury "G" dla badanego odlewu określono przy pomocy programu MAGMA. Badania prowadzono na syntetycznym stopie ZnAl0,2 odlewając próbki walcowe o średnicy 45mm i wysokości 180mm do kokili grafitowej Wyznaczenie parametru materiałowego "M" i jego części składowych Przez parametr M została oznaczona prawa strona nierówności (1): M = m C D k 0 0 k 0 1 K s 2 mm (2) Wyznaczenie współczynnika kierunkowego linii likwidus "m" Na podstawie wykresu równowagi układu AlZn [12] określono współczynnik "m" jako tangens kąta nachylenia linii likwidus: Rys. 2. Fragment układu AlZn [ 12] Fig. 2. Piece of AlZn chart [12] Do obliczeń przyjęto wartość współczynnika m = 0,364 Obliczenie współczynnika dyfuzji "D" K %. Według J.Suchego [ 13], wzór na obliczenie współczynnika dyfuzji przyjmuje następującą postać:

5 143 D ZnAl x = 1, , 7, 4 x 1, 43( 1, 943 0, 077 x) mm s 2 (3) gdzie: x - 0,21 % Al, Po podstawieniu x = 0,21 do równania (3) współczynnik dyfuzji wynosi: D ZnAl-0,2 = 2, mm s 2 Stężenie początkowe "C 0 " Dla stopu ZnAl0,2 stężenie początkowe wynosi dokładnie: C 0 = 0,21[ %]. Według [ 9-11], przy krzepnięciu odlewu w warunkach intensywnego mieszania (przy wymuszonej konwekcji) stężeniowe kryterium trwałości frontu można zastosować do analizy procesu krystalizacji przyjmując C 0 = C S. Określenie współczynnika rozdziału faz "k 0 " CS k 0 = C (4) l gdzie: C S - stężenie składnika w fazie stałej, C l - stężenie składnika w fazie ciekłej. W wyniku analizy chemicznej, która została przeprowadzona dla części zakrzepłej wlewka i części niezakrzepłej stopu ZnAl0,2 (rys. 3), uzyskano następujące wartości C S i C l (tabela 1). ciekły metal (C l ) część zakrzepła wlewka (C S ) C l - materiał pobrany do analizy z wylanej części (nie zakrzepłej wlewka), C S - materiał pobrany do analizy z zakrzepłej części wlewka. Rys. 3. Miejsca pobierania próbek do analizy Fig. 3. The place of chemical analyses

6 144 Po podstawieniu do równania (2) wyznaczonych wartości obliczono parametry materiałowe M. Zestawienie wszystkich wyników przedstawiono w tab. 1. Tab. 1. Zestawienie wyników obliczeń Tab. 1. The results of calculations Odlewy tradycyjne Odlewy wykonane w WPM Jednostki m 0,364 0,364 K/% D 2, , mm 2 /s C 0 0,21 0,21 % C S 0,19 0,18 % C l 0,23 0,25 % k 0 0,826 0,720 M 5,85 9,26 Ks/mm Wyznaczenie prędkości krystalizacji V Mając obliczony parametr materiałowy M oraz znając z badań makrostruktury miejsce przejścia z krystalizacji kierunkowej do objętościowej tj. miejsce utraty ciągłości i trwałości frontu krystalizacji będące w pobliżu końca strefy kryształów kolumnowych [rys. 4 i 5, szerokość strefy kryształów kolumnowych g = 4 mm (odlew tradycyjny), g = 5,5 mm (odlew wykonany w WPM] możemy obliczyć dla tego miejsca chwilową prędkość krystalizacji V. Prędkość krystalizacji została wyznaczona z następującego wzoru: gdzie: g V = mm t s (5) g [ mm] - przyrost grubości warstwy zakrzepłej t [ s] - czas krzepnięcia warstwy. Grubość warstwy zakrzepłej określano metodą wylewania. Wartości prędkości krystalizacji przedstawiono w tab. 2 i 3. Tab. 2. Prędkość krystalizacji dla ZnAl0,2 bez WPM

7 145 Tab. 2. Velocity of crystallization for ZnAl0,2 without RMF t [s] g [ mm] 3,7 5,2 6,4 6,8 9,4 V [ mm/s] 0,92 0,214 0,24 0,1 0,26 Tab. 3. Prędkość krystalizacji dla ZnAl0,2 w WPM Tab. 3. Velocity of crystallization for ZnAl0,2 with RMF t [s] g [ mm] 3,2 5,4 6,3 6,5 8,4 V [ mm/s] 0,8 0,314 0,18 0,05 0, Określenie gradientów temperatury w odlewie próbnym Wyznaczone wartości M i V pozwolą na wyliczenie gradientów krytycznych wg zależności G kryt. M*V, przy wartości których powinna nastąpić utrata trwałości i ciągłości frontu krystalizacji. Gradienty te wynoszą dla odlewów wykonanych pod działaniem WPM i bez WPM odpowiednio: 1,23K/mm i 1,67K/mm. W celu stwierdzenia, czy w miejscu utraty trwałości frontu występują gradienty temperatury mniejsze od obliczonych G kryt., przeprowadzono obliczenia symulacyjne procesu krzepnięcia odlewów próbnych przy pomocy programu MAGMA. Obliczenia były realizowane po wprowadzeniu podstawowych danych termofizycznych. Dane termofizyczne dla ZnAl0,2 Temperatury likwidus i solidus zostały obliczone z wyrażeń (6) i (7): T likw = 692,16-7,4 [ %Al] = 417,6 (6) T sol = 692,16-37 [ %Al] = 411,7 (7) Tab. 4. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła "λ" Tab. 4. Thermal conductivity T [ C] ,40 434, λ [ W/m K] 109, , , , , , ,1798

8 146 Tab. 5. Wartości ciepła właściwego "Cp" Tab. 5. Specific heat T [ C] ,40 434,20 907,0 Cp [ J/kg K] 385,08 400,56 449,95 452,04 510,64 527,39 Gęstość "ρ" dla: 25 C 7140,0 [ kg/m 3 ] 463 C 6700,0 [ kg/m 3 ] Dane termofizyczne dla grafitu (materiał formy) Tab. 6. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła "λ" Tab. 6. Thermal conductivity T [ C] λ [ W/m K] 96,5 76,8 64,0 58,2 52,3 52,3 Tab. 7. Wartości ciepła właściwego "Cp" Tab. 7. Thermal conductivity T [ C] Cp [ J/kg K] 1255, , , , , ,78 Gęstość "ρ" dla: 1 C 1800,0 [ kg/m 3 ] 2000 C 1800,0 [ kg/m 3 ] Przyjęta do symulacji procesu krzepnięcia wartość współczynnika wnikania ciepłą α dla badanego odlewu bez WPM wynosiła α = 300 [W/m 2 K] i była stała przez cały czas krzepnięcia odlewu, natomiast dla odlewów wykonanych w polu magnetycznym współczynnik α wynosił: α = w czasie oddziaływania WPM tj. ok. 30s, α = po czasie t = 30 s, aż do końca krzepnięcia odlewu. W wyniku obliczeń uzyskano gradienty temperatury, które zostały schematycznie przedstawione na rys. 4 i 5. Równocześnie na tych rysunkach zaznaczono wartości krytycznych gradientów temperatury G kryt., przy których następuje utrata trwałości i ciagłości frontu krystalizacji oraz miejsca przejścia z krystalizacji kierunkowej do objętościowej. Na rys. 4 i 5 zaznaczono również strefy kryształów kolumnowych będących wynikiem badań metalograficznych.

9 147 strefa kryształów równoosiowych strefa kryształów kolumnowych oś odlewu G kryt. = 1,23 [K/mm] ścianka formy 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5mm ODLEW G=2,31 2,60 [K/mm] miejsce utraty trwałości frontu krystalizacji 2,02 2,31 [K/mm] 1,73 2,02 [K/mm] 1,44 1,73 [K/mm] 1,16 1,44 [K/mm] 0,87 1,16 [K/mm] - gradienty temperatury uzyskane w wyniku symulacji komputerowej Rys. 4.. Wartości gradientów temperatury G w odlewie krzepnącym bez WPM wynikające z symulacji, obliczony gradient krytyczny G kryt. i miejsce utraty ciągłości frontu krystalizacji Fig. 4. Temperature gradient G in cast of solidification without RMF and calculated critic gradient G kryt., and place of destabilization of crystallization front

10 148 strefa kryształów równoosiowych strefa kryształów kolumnowych oś odlewu G kryt. = 1,67 [K/mm] ścianka formy 6,36 4,24 2,12mm miejsce utraty trwałości frontu krystalizacji ODLEW G = 6,01 [K/mm] 5,15 6,01 [K/mm] 4,29 5,15 [K/mm] 3,43 4,29 [K/mm] 2,57 3,43 [K/mm] 1,72 2,57 [K/mm] 0,86 1,72 [K/mm] - gradienty temperatury uzyskane w wyniku symulacji komputerowej Rys. 5. Wartości gradientów temperatury G w odlewie krzepnącym w WPM wynikające z symulacji, obliczony gradient krytyczny G kryt. i miejsce utraty ciągłości frontu krystalizacji Fig. 5. Temperature gradient G in cast of solidification with RMF and calculated critic gradient G kryt., and place of destabilization of crystallization front 3. PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Na podstawie otrzymanych wyników badań i obliczeń można stwierdzić, że stabilność frontu krystalizacji w odlewach krzepnących przy wymuszonej konwekcji odgrywa istotniejszą rolę niż prędkość krystalizacji. Jest to wynikiem krzepnięcia odlewów przy większym gradiencie temperatury. W odlewach tych pomimo, że krzepną one z nieco mniejszą szybkością (efekt erozyjnego działania strumienia ciekłej fazy na front krystalizacji) strefa kryształów kolumnowych jest większa. Oznacza to, że czas krystalizacji kierunkowej warstwy zewnętrznej odlewu, której efektem jest strefa kryształów kolumnowych spiralnych jest dłuższy niż w odlewach tradycyjnych. Określone w wyniku symulacji gradienty temperatury w krzepnącym wlewku dla stopu ZnAl0,2 bez wirującego pola magnetycznego (rys. 4) i w wirującym polu magnetycznym (rys. 5) potwierdziły fakt, że utrata trwałości i ciągłości frontu krystalizacji nastąpi w miejscach oznaczonych w makrostrukturze (g = 4mm i g = 5,5mm), gdyż wartości gradientów krytycznych G kryt. mieszczą się odpowiednio w przedziałach G = 1,16 1,44 (bez

11 149 pola) oraz G = 0,86 1,72 (w WPM). Ta duża zgodność wyników została uzyskana pomimo, iż przyjęte do analizy stężeniowe kryterium stabilności frontu krystalizacji obwarowane jest wieloma założeniami upraszczającymi i dotyczy w swojej pierwotnej formie zaproponowanej przez Chalmersa [14] utraty stabilności płaskiego frontu krystalizacji. LITERATURA [1] Szajnar J., Gawroński J.: Wpływ morfologii frontu krystalizacji na strukturę odlewów krzepnących przy wymuszonej konwekcji. Mat. XX Konf. Wydz. Odlew. AGH, Kraków [2] Szajnar i in.: Raport końcowy proj bad. nr 3 P KBN, Politechnika Sl. Gliwice,1995. [3] Szajnar J., Gawroński J.: Acta Metallurgica Slovaca 1998, vol. 4, nr 2, s [4] Szajnar J.: Krzepnięcie Metali i Stopów 1996, z. 27, s [5] Szajnar J., Gawroński J., Cholewa M.: Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 1996, vol. 16, nr 1, s [6] Szajnar J.:Krzepnięcie Metali i Stopów 1966, z. 22, s [7] Szajnar J.: Growth Direction of Columnar Crystals from the Rotating Liquid Metal. Proc. II Inter. Confer. "Engineering and Functional Materials", Lwów [8] Szajnar J., Gawroński J.: Krzepnięcie Metali i Stopów 1997, z. 30, s [9] Flemings M.: Solidification Processing, Mc Graw-Hill Book Comp., [10] Głownia J.: Praca habilitacyjna, AGH Kraków [11] Chuang Y. K. i in.: Metallurgical Trans., 1975, vol. 6A, s [12] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych, WNT, Warszawa [13] Suchy J.: Zeszyty Naukowe Pol.Sl., Mechanika, 1980, z. 69. [14] Chalmers B.: Principles of Solidification, John Wiley and Sons, New York ROLE OF CRYSTALLIZATION FRONT STABILITY AT SOLIDIFICATION OF CASTING UNDER MAGNETIC FIELD ABSTRACT The paper contains an analysis of crystallization front stability on the strength of the concentration stability criterion. In this work stability action of constrained motion of liquid metal on crystallization front was confirmed.