BADANIE KRYSTALIZACJI KOMPOZYTU AK9-Pb. Z. KONOPKA 1 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej

Transkrypt

1 5/44 Solidification of Metals and Alloys, Year, Volume, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok, Rocznik, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN BADANIE KRYSALIZACJI KOMPOZYU AK9-Pb Z. KONOPKA Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej SRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań krystalizacji kompozytu AK9-Pb. Dokonano porównawczej oceny kinetyki krystalizacji kompozytu i stopu osnowy stosując metodę różniczkowej analizy termicznej. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono wpływ cząstek ołowiu na wzrost szybkości wydzielania ciepła krystalizacji i zmniejszenie przechłodzenia w kompozycie. Zmiana kinetyki krystalizacji kompozytu w porównaniu ze stopem AK9 świadczy o oddziaływaniu cząstek ołowiu na zarodkowanie i wzrost kryształów pierwotnej fazy roztworu stałego krzemu w aluminium.. WPROWADZENIE Dotychczasowe badania układu stop aluminium-ołów, które koncentrują się głównie w obszarze technologii, wskazują, że jest to materiał charakteryzujący się bardzo dobrymi własnościami trybologicznymi [,]. Podjęcie badań krystalizacji kompozytu AK9-Pb wydaje się istotne dla teorii i praktyki i wynika z wielu nierozwiązanych dotychczas problemów, związanych z tym zagadnieniem. Można tu wymienić przykładowo następujące zagadnienia. Czy obecność fazy ołowiu, rozproszonej w postaci kropel w objętości kompozytu wpływa na proces krystalizacji? Jaki będzie rozkład temperatury w obszarze odlewu, a jaki w bezpośrednim sąsiedztwie kropli ołowiu? Jaki jest wpływ przechłodzenia na prędkość wzrostu kryształu?. Jak zmienia się temperatura na froncie krystalizacji (powierzchni rosnącego kryształu)?.czy krople ołowiu mają wpływ na kinetykę krystalizacji takiego kompozytu? Jaki jest mechanizm krystalizacji kompozytu dyspersyjnego?. Mechanizm krystalizacji decyduje o kształtowaniu się mikro i makrostruktury odlewu, co z kolei determinuje właściwości i zastosowanie tworzywa. Dr hab. inż.

2 98. BADANIE KINEYKI KRYSALIZACJI KOMPOZYU AK9-Pb.. Założenia i metodyka pomiaru Kompozyt na osnowie stopu AK9 z cząstkami ołowiu wytworzono w dwuetapowym procesie składającym się ze sporządzenia emulsji metalowej metodą mieszania mieszadłem oraz jej grawitacyjnego odlania i zakrzepnięcia w formie metalowej. Ołów stosowano w postaci proszku metalicznego a jego udział objętościowy w kompozycie wynosił %. Badanie kinetyki krystalizacji przeprowadzono dla stopu AK9 i kompozytu AK9-Pb metodą różniczkowej analizy termicznej. W celu interpretacji wyników pomiaru i obliczeń przyjęto następujące założenia: - wymiana ciepła między odlewem a metalową formą określona jest przez zadane warunki brzegowe III rodzaju; - odlew płyty o wymiarach 5xx mm określa jednokierunkowy przepływ ciepła - ilość wydzielającego się ciepła krystalizacji jest wprost proporcjonalna do spadku temperatury w zakresie temperatury krystalizacji [3]. Na podstawie bilansu ciepła odlewu i formy wprowadzając wielkość funkcji źródła ciepła określoną jako β=dl/dt otrzymuje szukaną postać równania krystalizacji. ( ) α ϑ β dϑ + = () Rρ c c dt œr œr gdzie R jest sprowadzoną grubością ścianki odlewu, α-współczynnik wymiany ciepła odlew-forma, c, ρ odpowiednio gęstość i ciepło właściwe odlewu, υ-temperatura odlewu (zmienna). Równanie () jest spełnione w czasie krystalizacji odlewu a każdy jego człon przedstawia szybkość zmiany temperatury, co oznacza, że rzeczywista szybkość zmiany temperatury (U ) odlewu jest sumą szybkości zmian temperatury wynikających z wydzielania ciepła akumulacji (U G ) oraz wydzielania ciepła krystalizacji (U Z ). W czasie odprowadzania ciepła przegrzania oraz podczas stygnięcia odlewu w formie (stan stały) szybkości U i U G są sobie równe ponieważ w układzie nie zachodzi krystalizacja (U Z =). Oznacza to, że na wykresie różniczkowej analizy termicznej krzywe U i U G muszą się pokrywać ze sobą. Nieznaną jest funkcja U G (t), której wyznaczenie wymaga obliczenia temperatury otoczenia dla odlewu ( ot ) oraz współczynnika α(). emperaturę ot, można obliczyć z zależności [4]: ot = zal L + + m c + m p () gdzie: m jest stosunkiem pojemności cieplnej formy i odlewu, zal i p oznaczają temperatury odlewania i początkową formy, L jest ciepłem krystalizacji stopu.

3 99 Szukaną wielkość α() można wyznaczyć z analitycznego rozwiązania stygnięcia odlewu płyty przy warunkach brzegowych III rodzaju [5] œr zal ot ot ( = exp BiFo) (3) gdzie: Bi i Fo są odpowiednio liczbą Biotta i liczbą Fouriera, Dla znanych wielkości śr i zal (analiza termiczna) i obliczonej temperatury ot (równ.) wyznacza się chwilowe wartości kryterium Biotta z równania (3) dla danych momentów czasu Fo. Następnie z definicji liczby Biotta określa się wartości współczynnika α() a później funkcję krzywej bazowej. Ostatecznie, dla znanych funkcji U G i U (doświadczalna krzywa z analizy termicznej) można wyznaczyć szukany przebieg funkcji źródła ciepła β(t), Znajomość krzywej stygnięcia ϑ(t) umożliwia wyznaczenie zmiany przechłodzenia w czasie krystalizacji układu, które określa różnica = L -. Równowagową temperaturę likwidus L wyznaczyć można z równania linii likwidus dla poduetektycznego stopu Al-Si... Wyniki badań Dla badanego układu zależność α() przedstawiono na rysunku. 9 Współczynnik wymiany ciepła, W/m s emperatura, K Rys.. emperaturowa funkcja współczynnika wymiany ciepła Fig.. Function of the overall heat-transfer coefficient Uzyskane z pomiarów wykresy przedstawiono na rysunkach i 3. Na wykresach tych wykreślono obliczone krzywe bazowe U G. emperaturę likwidus i początek krystalizacji wyznaczono z punktu przegięcia krzywej pochodnej d/dt odnosząc go na

4 U G U G wykres krzywej =f(t), co zaznaczono na rysunkach punktem. Początek krystalizacji fazy eutektycznej i koniec krystalizacji fazy pierwotnej odpowiada lokalnemu minimum funkcji pochodnej temperatury, które zaznaczono na wykresie punktem. Dla tego punktu odczytać można z wykresu temperaturę początku krystalizacji fazy eutektycznej U emperatura, K L - -5 d/dt, K/s 8-3 (t) (t) pow t pk t k 8 Rys.. Krzywe stygnięcia i krystalizacji stopu AK9 Fig.. Cooling and solidification curves of AK9 alloy 94 9 U emperatura, K L d/dt, K/s 8-3 (t) 8-35 (t) pow t t pk k Rys.3. Krzywe stygnięcia i krystalizacji kompozytu AK9-Pb. Fig.3. Cooling and solidification curves of AK9-Pb composite W tabeli przedstawiono charakterystyczne wielkości krystalizacji badanego kompozytu AK9-Pb i porównawczo stopu AK9 odczytane z wykresów analizy termicznej różniczkowej. Zmianę przechłodzenia w czasie krystalizacji przedstawiono na rysunku 4, a szybkość wydzielania ciepła krystalizacji na rysunku 5.

5 abela. Charakterystyczne wielkości procesu krystalizacji able. Characteristic quantity of crystallisation process Wielkość AK9 AK9-Pb emperatura odlewania, K Rzeczywista temperatura likwidus, K emperatura początku krystalizacji eutektyki, K Rzeczywista średnia temperatura eutektyki, K Rzeczywisty zakres temperatury krystalizacji, K 6 Czas początku krystalizacji, s Czas krystalizacji fazy pierwotnej, s.7.6 Czas krystalizacji odlewu, s Przechłodzenie likwidusu (początkowe), K AK9 przechłodzenie, K AK9-Pb Rys.4. Przechłodzenie środka odlewu w czasie krystalizacji Fig.4. Undercooling of casting centre during crystallisation 8 Funkcja źródła ciepła, W/kg 6 4 AK9-Pb AK Rys.5. Funkcja źródła ciepła Fig.5. Heat source function

6 3. PODSUMOWANIE Analizując uzyskane wyniki, zauważyć można, że temperatura rzeczywista likwidus dla kompozytu jest o 8K wyższa od rzeczywistej temperatury likwidus dla stopu podstawowego (osnowy). Fakt ten można zinterpretować jako większą zdolność do zarodkowania w kompozycie. Przy jednakowych wartościach temperatury odlewania proces krystalizacji rozpoczyna się szybciej w kompozycie, a dla zapoczątkowania krystalizacji wymagane jest mniejsze przechłodzenie. Zarówno w kompozycie jak i w stopie podstawowym krystalizuje, jako pierwotna, faza α, a równowagowe temperatury krystalizacji w obu przypadkach są jednakowe. Przechłodzenie jest dla kompozytu mniejsze niż dla stopu podstawowego, i w momencie rozpoczęcia krystalizacji wynosi ono dla kompozytu 4K, a dla stopu AK9 odpowiednio K. Świadczą o tym wyższe wartości L oraz krótsze wartości czasu t pk, upływającego do początku krystalizacji. Dla kompozytu obserwuje się wyższe temperatury końca krystalizacji temperatura solidus S i średniej temperatury krystalizacji eutektyki eut Szybkość wydzielania się ciepła krystalizacji dla kompozytu jest większa w porównaniu ze stopem osnowy. Zgodnie z teorią może to świadczyć o większej szybkości zarodkowania kryształów fazy pierwotnej, co jest wynikiem oddziaływania cząstek ołowiu. LIERAURA []. Berrenberg, R. Mergen: Casting of rapidly solidified Al.-Pb coatings. EMRS 993, vol.44, pp [] Z. Konopka, J. Braszczyński: Kompozyty AlSi-Pb. Krzepnięcie Metali i Stopów PAN, 996, vol.8, s.97-. [3] W. Longa: Krzepnięcie odlewów. Wyd. Śląsk, 985, Katowice. [4] W. Longa: Ogólne postawy teoretyczne analizy różniczkowej krzywych stygnięcia odlewów. Archiwum Hutnictwa, 983, nr 3, s [5] S. Wiśniewski: Wymiana ciepła. Wyd. PWN, 979, Warszawa.

7 3 SUMMARY INVESIGAION OF AK9-Pb COMPOSIE CRYSALLIZAION In article the results of crystallization investigation of AK9-Pb composite were presented. he crystallization kinetics of AK9-Pb and AK9 alloy was examined by using the derivative thermal analysis. he AK9-Pb composite emulsion was prepared by stirring method of liquid matrix alloy with lead metallic powder. hen this emulsion was poured and cast into metal mould. Volume fraction of lead particles in composite was %. he crystallization equation was derived and on the basis this equation the kinetics of crystallization heat emission and supercooling were calculated. he ambient temperature and overall heat-transfer coefficient for casting were calculated and presented in Fig.. During crystallization process the change of temperature =f(t) and its derivative were recorded. hese experimental results were presented in Figs. and 3. he U G curves were calculated from equation and presented in these figures. he characteristic quantities of crystallization process for composite and AK9 alloy were listed in able. he supercooling was calculated as a difference between equilibrium temperature of crystallization and real temperature obtained from thermal analysis. Obtained functions of supercooling were presented in Fig.4. he function of heat source was calculated from crystallization equation and these results were presented in Fig.5. On the basis obtained results we can conclude those lead particles in composite effect on crystallization process. In composite the supercooling is lower in comparison with AK9 alloy. Liquidus temperature for AK9-Pb composite is maximum 8K higher than this temperature for AK9 alloy. he total time of crystallization for AK9-Pb composite is shorter than for AK9 alloy. hese facts are connected with nucleation process of primary α phase crystals in composite matrix. hese crystals nucleates and growth on particles lead-composite matrix interfaces. he mechanism of crystallization in AK9-Pb composite is confirmed by kinetics of crystallization heat emission (function of heat source). At the beginning of crystallization process the rate of crystallization heat emission in composite is higher than in pure matrix alloy. he growth of primary dendrites in composite around each lead particles is observed. his way the characteristic composite microstructure is formed. Finally we can conclude that derivative thermal analysis is very useful in investigation of crystallization process. Reviewed by prof. Michał Szweycer