TEMPERATURA LEJNOŚCI ZEROWEJ SILUMINÓW. J. MUTWIL 1, D. NIEDŹWIECKI 2 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego

Transkrypt

1 22/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN TEMPERATURA LEJNOŚCI ZEROWEJ SILUMINÓW J. MUTWIL 1, D. NIEDŹWIECKI 2 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego STRESZCZENIE Dla polskich siluminów technicznych płynących w metalowych kanałach o średnicy 12, 14, 16 mm określono temperaturę lejności zerowej. Temperatura formy wynosiła 150º C. Czynnikiem zmiennym była temperatura i prędkość zalewania. Key words: silumin, zero-fluidity temperature 1. WPROWADZENIE Pod pojęciem temperatury lejności zerowej rozumie się temperaturę metalu, przy której traci on zdolność do dalszego przepływu. Temperatura na długości strugi nie jest stała. Najniższa jej wartość występuje w obszarze najintensywniej stygnącym, czyli w czole strugi, w którym zresztą najczęściej dochodzi do zablokowania przepływu. W dalszych opisach za temperaturę lejności zerowej przyjmowana będzie więc temperatura czoła strugi, przy której płynięcie metalu ustało. Precyzyjne ustalenie tej temperatury staje się możliwe jedynie w przypadku jednoczesnego rejestrowania przebiegu przepływu i temperatury czoła strugi. Warunki te spełnia opracowana przez J. Mutwila [1] metoda, w której ruch czoła strugi rejestrowany jest poprzez rejestrowanie ruchu elektrody kontaktowej uciekającej przed strugą ruchem mikrokrokowym, a sprzężony z elektrodą kontaktową i zanurzony w strudze na wybranej głębokości termoelement mierzy temperaturę jej czoła. Stanowisko pomiarowe wykorzystujące opisaną metodykę badań przedstawiono w pracy [2] bieżącego numeru Archiwum Odlewnictwa. Bardziej wyczerpujący jego opis zamieszczono w pracy [3]. Poniżej zaprezentowano wyniki badań temperatury lejności zerowej dla polskich siluminów technicznych: AK52, AK64, AK7, AK9, AK11, AK12, AK18, AK20, których skład chemiczny scharakteryzowano we wspomnianej pracy [2]. 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 2 mgr inż., d.niedzwiecki@iipm.uz.zgora.pl

2 OPIS BADAŃ Przepływ realizowano w kanałach φ 12, 14, 16 mm form wykonanych ze stali WCL. Odtwarzające kanały przepływowe wymienne formy 1 (rys.1 w [2]) podgrzewano 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 przegrzania w zakresie: deg. W pojedynczym pomiarze, po uzyskaniu przez metal ustalonej temperatury, zakładano na wnękę wstępną 2 (rys.1 w [2]) podgrzaną formę testową 1 o wybranej średnicy. Po zainstalowaniu termoelementów i ustaleniu szczeliny doprowadzającej wprowadzano elektrodę kontaktową 8 do przestrzeni kanału, tak - aby końcówka jej termoelementu była na poziomie szczeliny doprowadzającej. 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. Przykłady zarejestrowanych dla siluminów AK9 i AK20 pomiarów przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Na każdym rysunku ukazano temperaturę czoła strugi wraz z pochodną oraz krzywą przepływu i jego prędkość. Dużymi literami oznaczono charakterystyczne etapy przepływu i krystalizacji strugi. 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. W polu rysunków wydrukowano wartości temperatury i położenia czoła strugi odpowiadające wybranym punktom charakterystycznym oraz wartość średniej prędkości przepływu. Na każdym rysunku naniesiono też poziome linie punktowane obrazujące zakres temperatur krzepnięcia stopu w próbniku ATD, co pozwala ocenić poziom obniżenia tych temperatur w warunkach przepływu. Dla każdego stopu, bez względu na warunki zalewania, znacznemu obniżeniu uległa temperatura eutektyczna. Dla siluminu AK9 temperatura likwidus obniżyła się nieznacznie, natomiast w przypadku siluminu AK20 (rys.2) wystąpiło istotne obniżenie temperatury początku krystalizacji (o 36 deg- dla średnicy kanału φ16 mm i o 60 deg- dla kanału φ12mm). Kilkustopniowe obniżenie temperatury likwidus w warunkach przepływu było charakterystyczne dla wszystkich pomiarów wykonanych dla siluminów pod- i okołoeutektycznych. W pomiarach dla siluminów nadeutektycznych notowano zawsze znaczne obniżenie tej temperatury. Silumin AK9 oraz wszystkie stopy pod- i okołoeutektyczne traciły zdolność do przepływu w zakresie rzeczywistej temperatury likwidus (w okresie przechłodzeniarys. 1a lub po osiągnięciu temperatury likwidus rys. 1b), a przepływ ustawał raptownie. Dla stopów nadeutektycznych zatrzymanie przepływu następowało w zakresie temperatur krzepnięcia, najczęściej przed przemianą eutektyczną (rys. 2), a przepływ ustawał łagodniej. Potwierdzeniem tych spostrzeżeń są zgromadzone w tabeli 1 dane uzyskane dla wszystkich badanych stopów. Podano tam temperaturę likwidus (T L ) badanych stopów w próbniku ATD, różnicę ( T L ) temperatury zatrzymania

3 175 przepływu (T K ) i temperatury T L, różnicę ( T LP ) temperatury zatrzymania przepływu i temperatury likwidus w przepływie (T LP ) oraz stosunek (h L / h zal ) wysokości pokonanej przez metal w stanie przegrzanym do całkowitej wysokości zalania. a) b) Rys. 1. Dwa przykłady przepływu siluminu AK9 w kanale φ 16 mm; krzywe:,,, Fig. 1. Two examples of silumin AK9 flow in channel of 16 mm diameter: - stream head temperature, time derivative of, flow curve, flow rate

4 176 a) b) Rys. 2. Przepływ siluminu AK20: a) kanał φ 16 mm, b) kanał 12 mm; krzywe:,,, Fig. 2. Flow of silumin AK20: a) φ16mm channel, b) φ12mm channel; - stream head temperature, time derivative of, flow curve, flow rate Aby ograniczyć wielkość tabeli podano w niej jedynie wartość średnią analizowanych parametrów i przedział ufności określony z rozkładu t-studenta dla poziomu ufności α=0.9. Analiza przedziałów ufności dotyczących relacji pomiędzy temperaturą zatrzymania przepływu i temperaturą likwidus w próbie ATD bądź w przepływie pozwala zauważyć, że zachowanie stopów pod- i okołoeutektycznych jest stabilne w

5 177 odróżnieniu od stopów nadeutektycznych. Dla pierwszej grupy stopów przepływ zawsze ustawał w temperaturach niższych o kilka stopni od równowagowej temperatury likwidus, a w stosunku do temperatury likwidus w przepływie różnica była na poziomie dziesiętnych części stopnia Celsjusza. Wyjątek stanowi tu wykazujący większą tendencję do przechłodzenia silumin AK11, dla którego zatrzymanie przepływu następowało najczęściej w tym stanie, stąd średnia wartość parametru T LP odbiegała od pozostałych. Dla stopów nadeutektycznych przedziały ufności są rzędu kilkunastu deg, co dowodzi, że siluminy AK18 i AK20 mogą tracić zdolność do przepływu w szerszym przedziale temperatur. W odróżnieniu od stopów pod- i okołoeutektycznych, ujemna wartość przedziałów ufności nie wynika tu z blokowania przepływu w okresie przechłodzenia strugi, lecz w zakresie temperatur krzepnięcia. Tabela 1. Zestawienie wyników badań temperatury lejności zerowej Table 1. Statement of investigation results of zero-fluidity temperature Stop T L, deg T LP, cm h L /h zal Ilość T L w. śr. p. ufności w. śr. p. ufności w. śr. p. ufności prób AK52 T L =609,7 o C -3,79-4,45-3,12-0,69-0,98-0,41 0,75 0,68 0,81 27 AK64 T L =595,1 o C -2, 62-3,12-2,13-0,70-1,08-0,32 0,80 0,75 0,85 20 AK7 T L =606,2 o C -3,85-4,66-3,04-0,70-0,98-0,42 0,80 0,77 0,84 25 AK9 T L =587,0 o C -2,49-3,15-1,82-0,39-0,56-0,22 0,81 0,77 0,85 22 AK11 T L =574,5 o C -4,11-4,92-3,31-2, ,76 0,67 0,85 27 AK12 T L =561,0 o C -3,99-5,61-2,36-0,95-1,24-0,66 0,84 0,78 0,90 25 AK18 T L =614,0 o C -59,95-62,15-57,75-15,46-21,41-9,52 0,61 0,49 0,73 24 AK20 T L =675,1 o C -117,42-126,30-108,54-70,98-78,10-63,85 0,51 0,43 0,58 27 T L = T K T L ; T LP = T K T LP T L temperatura likwidus w próbie ATD, T LP temperatura likwidus w przepływie, T K temperatura lejności zerowej, h L, h zal wysokość zalania w okresie przegrzania i końcowa wysokość zalania, w.śr., p. ufności wartość średnia i przedział ufności, Poziom ufności α = 0.9. Dobrym uzupełnieniem omówionych cech przepływu jest wyrażony ilorazem h L /h zal stosunek drogi przebytej przez metal w stanie przegrzania do całkowitej drogi

6 178 przepływu, który pokazuje, że siluminy nadeutektyczne, w odróżnieniu od pozostałych, istotny odcinek drogi mogą pokonać po rozpoczęciu krystalizacji. 3. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki badań dowodzą istotnych różnic w przepływie nadeutektycznych i pozostałych siluminów w kanałach form metalowych. Siluminy nadeutektyczne traciły zdolność do przepływu w zakresie temperatur krzepnięcia, a temperatury blokowania przepływu mogły się znacznie różnić między sobą. Stopy te ponadto pokonywały istotny odcinek drogi w okresie krzepnięcia. Siluminy około- i podeutektyczne traciły zdolność do przepływu w zakresie temperatury likwidus, najczęściej jeszcze w okresie przechłodzenia, a droga pokonana w tym stanie nie przekraczała 25% całkowitej drogi przepływu. LITERATURA [1] Mutwil J.: Ocena zjawisk fizyko-chemicznych zachodzących podczas wypełniania metalem formy odlewniczej, Wydawnictwo WSI w Zielonej Górze- Seria: Monografie, nr 63, (1992). [2] Mutwil J., Niedźwiecki D.: Zdolność siluminów do odwzorowania formy, Archiwum Odlewnictwa vol 2, no 4, 2002 s [3] 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 SILUMINS ZERO-FLUIDITY TEMPERATURE For polish silumins flowing in metal channels of 12, 14, 16 diameter the zerofluidity temperature has been determined. The mould temperature was about 150 ºC. The metal flow was realized by various pouring parameters. Recenzował Prof. Stanisław Jura