ZMIANA SZEROKOŚCI STREFY KRYSZTAŁÓW KOLUMNOWYCH W ODLEWACH KRZEPNĄCYCH W POLU MAGNETYCZNYM

Transkrypt

1 23/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN ZMIANA SZEROKOŚCI STREFY KRYSZTAŁÓW KOLUMNOWYCH W ODLEWACH KRZEPNĄCYCH W POLU MAGNETYCZNYM J. SZAJNAR, J. GAWROŃSKI 2 Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska, Gliwice, ul. Towarowa 7 STRESZCZENIE W pracy dokonano analizy wpływu zmiennych czynników odlewania w wirującym polu magnetycznym na szerokość strefy kryształów kolumnowych. Badania przeprowadzono na stopach AlCu. Zmiennymi czynnikami odlewania wybrano: prędkość ruchu ciekłego metalu w formie będącą wynikiem działania pola magnetycznego o odpowiedniej indukcji, stężenie nominalne miedzi w stopie AlCu oraz temperaturę zalewania. Wynikiem badań są zależności ujmujące wyżej wymienione czynniki. Na po d- stawie wyników badań stwierdzono, że uzyskanie zmniejszenia szerokości strefy kryształów kolumnowych wymaga spełnienia dwóch podstawowych czynników: stężenie składnika stopowego w stopie musi być powyżej pewnej minimalnej wartości oraz prędkość strumienia ciekłego metalu przed frontem krystalizacji powinna przekroczyć tzw. prędkość minimalną. Key words: AlCu alloy, electromagnetic field, columnar crystals. WPROWADZENIE Na jakość struktury odlewu podstawowy wpływ mają dwa czynniki: stężenie nominalne składnika stopowego i szybkość oddawania ciepła przez odlew do formy. Jednak jak wykazują dane literaturowe i wyniki badań własnych autorów, wymuszony ruch ciekłego metalu w formie jest przyczyną wielu zmian w procesie krystalizacji odlewu, wywołując m.in. zmianę warunków oddawania ciepła [-4], ale także powoduje również zmiany w rozkładzie składników stopowych [5-7]. Wielkość tych zmian zależy dr hab. inż., sekrmt3@zeus.polsl.gliwice.pl 2 prof. zw. dr inż., sekrmt3@zeus.polsl.gliwice.pl 9

2 od sposobu generowaniu ruchu ciekłego metalu w formie i od intensywności tego ruchu, a ponadto od wartości początkowych stężenia dodatku stopowego i gradientu te m- peratury w odlewie. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań nad oddziaływaniem wymuszonej konwekcji wirującym polem magnetycznym na szybkość przemiany struktury kolumnowej w równoosiową, czyli na udział w odlewie strefy kryształów kolumnowych i równoosiowych. Im szybciej wystąpi w krzepnącym odlewie taka przemiana, tym mniejszy otrzymuję się obszar kryształów kolumnowych, tym lepsza jest jakość odlewu. 2. BADANIA WŁASNE Celem badań było określenie wpływu nominalnego stężenia miedzi w stopach AlCu, intensywności ruchu ciekłego metalu w formie i temperatury zalewania na szerokość strefy kryształów kolumnowych odlewów krzepnących pod wpływem wirującego pola elektromagnetycznego. Zakres badań obejmował wykonanie wlewków ze stopów AlCu o wymiarach 45 x 80mm w kokili grafitowej o grubości ścianki 7mm. Krzepnący w formie ciekły metal znajdował się w wymuszonym ruchu wirowym generowanym przez pole magnetyczne o odpowiedniej indukcji B. Zależność indukcji pola od maksymalnej obwodowej prędkości V c.m. ciekłego metalu przedstawia rys. a. Czas trwania wymuszonego ruchu wynosił każdorazowo 20s i był mierzony od chwili zakończenia zalewania formy. Cały plan badań i wybrane wyniki przedstawiono w tab.. Vcm [m/s] a),8,6,4,2 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Vcm Al Vcm Zn Vcm Sn B*0-3 [T] b) Rys.. a) Zależność maksymalnej prędkości obwodowej V c.m. ciekłego metalu w formie cylindrycznej o średnicy wewnętrznej 45 mm od indukcji B pola magnetycznego, b) Sposób pomiaru szerokości strefy kryształów kolumnowych l Fig.. a) Dependence of V c.m. maximum peripheral velocity of liquid metal in a cylindrical mould of inside diameter 45 mm on B magnetic field induction, b) Measurement of columnar crystal zone width l 92

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Badania metalograficzne polegały głównie na ujawnieniu makrostruktury na przekroju poprzecznym wlewka w odległości 70 mm od jego podstawy. Makrostrukturę na zgładach uzyskiwano poprzez trawienie odczynnikiem o składzie: 50 g Cu, 400 ml HCl, 300 ml HNO 3, 300 ml H 2 O. Wytrawione zgłady metalograficzne skanowano i mierzono szerokość strefy kryształów kolumnowych przy 5-krotnym powiększeniu obrazu w dwunastu miejscach, jak to pokazano na rys. b. Wyniki pomiarów szerokości strefy kryształów kolumnowych przedstawiono w tab., a makrostrukturę wybranych wlewków na rys. 2. Tabela Zakres zmienności parametrów odlewania (B,V c.m.,c o,tzal) i wyniki pomiarów szerokości strefy kryształów kolumnowych l Table 2. The range of variability of casting parameters and test results of width zone of columnar crystals. C o =%Cu 0,0 0,05 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 Tzal B [T] V c.m. [m/s] l [mm] [K] ,8 20,3 9,8 8,76 8,55 8,49 8,40 0,00 0,38 20,8 20,3 8,5 7,0 6,8 6,4 6,04 0,05 0,55 20,8 9,7 4, 3,8 2,54 2,, ,025 0,89 20,8 9,3 3,82 2,62 2,39,8,54 0,035,5 20,8 8,7,23 0,89,0 0,9 0, ,2 2,2 2,5 20,3 9,90 9,20 8,79 0,00 0,38 2,2 2,2 9,75 9,0 8,9 7,4 6,4 0,05 0,55 2,2 2,2 8,60 7,8 2,34,79 0, ,025 0,89 2,2 20,2 2,8 2,0,5 9,04 9,2 0,035,5 2,2 9, 2,02,6 9,55 9,36 9,25 A7 A8 A9 A20 Rys. 2. Makrostruktura odlewów z AlCu0,2 o średnicy 45 mm (Tzal=973 K): A7 odlew tradycyjny i odlewy wykonane pod wpływem WPM o indukcji B=0,05 T (A8), B=0,025 T (A9), B=0,035 T (A20) Fig. 2. Macrostructure of AlCu0,2 castings of diameter 45mm (Tzal=973 K): A7 traditional casting and castings made under rotating magnetic field influence with induction B=0,5 T (A8), B=0,025 T (A9), B=0,035 T (A20) 93

4 0,0 0,05 0, 0,2 0,25 0,3 0,35 3. ANALIZA WYNIKÓW W odlewach krzepnących tradycyjnie (bez wymuszonej konwekcji) szerokość strefy kryształów kolumnowych zależy od stężenia nominalnego miedzi w stopie oraz od temperatury zalewania. Wzrost temperatury zalewania powoduje wzrost szerokości strefy kryształów kolumnowych l (tab. ), natomiast wpływ stężenia miedzi jest odwrotny. Ilościowy wpływ tych dwóch wielkości na zmiany szerokości strefy kryształów kolumnowych, dla przyjętego zakresu zmienności czynników, przedstawia równanie (). l 4,253 5,79(% Cu) 0, 023Tzal () Uzyskane wyniki badań dla odlewów krzepnących przy wymuszonej konwekcji (tab., rys. 3) pokazują, że istnieje pewna minimalna ilość dodatku stopowego w stopie jednofazowym, po przekroczeniu której zauważalny jest wpływ oddziaływania WPM. Zmniejsza się szerokość strefy kryształów kolumnowych B[mT] 8 0,4 0,45 0, l [mm] C o [%] Rys. 3. Zmiana szerokości l strefy kryształów kolumnowych w funkcji stężenia miedzi V c.m. i indukcji B wirującego pola magnetycznego. T zal = 973 K Fig. 3. Change of columnar crystal zone width l in a function of copper concentration V c.m. and magnetic field induction B. T zal. = 973 K W zrealizowanych badaniach dla stopów AlCu ta minimalna ilość, przy której uzyskano przyśpieszenie transformacji struktury kolumnowej w równoosiową została określona na C o min =0,%Cu. Oznacza to, co widać na wykresie (rys. 3), że poniżej tej war- 94

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA tości nie uzyskuje się zmniejszenia szerokości strefy kryształów kolumnowych, mimo krzepnięcia odlewów przy wymuszonej konwekcji. Przyśpieszenie transformacji struktury kolumnowej w równoosiową jest sku t- kiem działania wymuszonej przez WPM konwekcji. Prędkość ciekłej fazy przed fro n- tem krystalizacji musi być również powyżej pewnej minimalnej wartości. Przekroczenie tej wartości jest konieczne, aby uzyskać takie zmiany w procesie krzepnięcia i krystalizacji odlewu, których skutkiem będzie szybsze wystąpienie przemiany struktury, co jest również równoznaczne ze zmniejszeniem strefy kolumnowej. Na podstawie wyników pomiarów zawartych w tab. i makrostruktury wlewków próbnych (rys. 2) wykonanych pod działaniem wirującego pola magnetycznego widać wyraźnie mniejszą niż w odlewach wykonanych bez pola magnetycznego strefę kryształów kolumnowych i większą strefę kryształów równoosiowych powstałą w wyniku działania tego pola. W próbkach wykonanych metodą tradycyjną uzyskano strukt u- rę kolumnową na prawie całym przekroju odlewu. Należy również zauważyć, że przy prędkości ciekłego metalu w formie V c.m. = 0,38 m/s, zmniejszenie szerokości strefy kryształów kolumnowych jest niewielkie (tab., rys. 2 A8). Zatem można uznać prędkość V c.m. =0,38 m/s za niewystarczającą przy praktycznym stosowaniu wyników tej pracy. W zrealizowanym zakresie badań, minimalną prędkość ciekłego metalu V c.m. przyjęto na poziomie 0,55 m/s. Bardziej szczegółowa wizualna ocena wpływu poszczególnych czynników procesu odlewania w WPM, tj. indukcji pola magnetycznego B lub prędkości ruchu ciekłego metalu w formie V c.m., nominalnego stężenia miedzi C o i temperatury zalewania T zal na szerokość strefy kryształów kolumnowych, jest niemożliwa. Nieznaczne zmiany w makrostrukturze wlewków przy różnych wartościach parametrów nie dają podstaw do ilościowego określenia ich wpływu. Stąd w celu określenia ilościowych zmian w strefie kryształów kolumnowych jako funkcji parametrów odlewania, uzyskane wyniki (tab. ) posłużyły również do obliczenia metodą regresji krokowej zależności l = f(c o,b,t zal ) i l = f(c o,v c.m.,t zal ). Wynikiem obliczeń są równania 2 5. l,45 95,69 7,22C0 0,07Tzal. (2) B Analiza przebiegu obliczeń pozwala, bez szkody dla parametrów statystycznych (tab. 2) równania 2, pominąć temperaturę zalewania - T zal. Zatem otrzymamy równanie: l 9,94 95,69 7,22C (3) 0 B Wyniki o podobnym przebiegu zależności l=f(c o,v c.m.,t zal ) uzyskano w równaniach: l 0,887 3,84 7,22C0 0,07Tzal. (4) Vcm 95

6 l 9,38 3,84 7,22C (5) 0 V cm Parametry statystyczne równań 5 podano w tab. 2. Tabela 2 Parametry statystyczne równań 5 Table 2. Statistic parameters of equations -5 Nr równania Współczynnik Test Test W Odchylenie Wartość średnia korelacji R Fischera F standardowe SD l[mm] 0,98,7 9,8 0,268 9,85 2 0,94 49,23 5,66,33 3,63 3 0,9 7,66 5,66,34 3,63 4 0,92 54,0 6,3,34 3,63 5 0,9 70,80 5,5,34 3,63 Brak wyraźnego wpływu temperatury zalewania wiązać należy ze ścisłą korelacją pomiędzy prędkością ruchu ciekłej fazy a warunkami termicznymi krzepnięcia odlewu [5 6]. Równania (2 5) obejmują zmiany w zakresie wartości stężenia od C o = C o min = 0,% do C o =0,5%Cu, tzn. dotyczą zakresu stężeń, przy których stwierdza się efekt działania WPM. Analiza tych równań wskazuje na ich fizyczny sens i ilościowe ujęcie procesu, tzn., że przy wzroście C o maleje strefa kryształów kolumnowych, podobnie jak w odlewach wykonywanych bez wymuszonej konwekcji. Natomiast przy wzroście indukcji pola magnetycznego (co jest równoznaczne ze wzrostem V c.m. ) też maleje szerokość tej strefy. Graficzną postać równania (5) przedstawia rys. 4. Pokazuje on, że szerokość strefy kryształów kolumnowych silnie zależy od wartości prędkości ciekłego metalu V c.m. lub też indukcji wirującego pola magnetycznego B (równanie 3). W mniejszym stopniu na szerokość strefy kryształów kolumnowych wpływa stężenie początkowe (nominalne) pierwiastków stopowych C o. Z danych przedstawionych na rys. 2 4 wynika, że im większa jest prędkość ciekłego metalu w formie V c.m. (max prędkość obwodowa wywołana przez pole magnetyczne tuż po zakończeniu zalewania formy), tym mniejsza jest szerokość strefy krys z- tałów kolumnowych. Zależności na rys. 4, a w szczególności wykres na rys. 5 pokazują, że zwiększenie prędkości ciekłego metalu ponad 0,89 m/s powoduje minimalny przyrost zmniejszenia strefy kryształów kolumnowych. Oznacza to, że kinetyczny warunek stosowania WPM, związany z odpowiednim zmniejszeniem strefy kryształów kolumn o- wych przez wymuszaną konwekcję, zawiera się w dość wąskich granicach, tj. V c.m. =0,55 0,89 m/s, co odpowiada indukcji pola magnetycznego mierzonej na powierzchni wewnętrznej formy B=0,05 0,025 T. 96

7 l [mm] 0,38 0,73,02,26 ARCHIWUM ODLEWNICTWA l [mm] , 0,5 C o [%] V cm [m/s] Rys. 4. Szerokość l strefy kryształów kolumnowych w funkcji prędkości V c.m. ciekłego metalu i stężenia nominalnego C o dodatków stopowych dla stopów AlCu Fig. 4. Columnar crystal zone width l in a function of liquid metal velocity V c.m. and nominal concentration of alloy additions C o for AlCu alloys , 0,2 0,3 0,4 0,5 C o [%] B=0mT Rys. 5. Zmiana szerokości l strefy kryształów kolumnowych w zależności od nominalnego stężenia C o dodatku stopowego i poszerzonego zakresu zmienności indukcji B wirującego pola magnetycznego Fig. 5. Changes of columnar crystal zone width l according to nominal concentration of C o alloy addition and widened range of rotating magnetic field induction B variability 97

8 4. WNIOSKI. Przyśpieszenie przemiany struktury kolumnowej w równoosiową, czyli zmniejszenie szerokości strefy kryształów kolumnowych w odlewach krzepnących przy wymuszonej konwekcji wymaga zastosowania wirującego pola magnetycznego o takiej wartości indukcji, aby minimalna prędkość ciekłego metalu w formie V cm wynosiła 0,55 m/s. 2. Wymuszona konwekcja przyśpiesza przemianę struktury w stopach dwuskładn i- kowych po przekroczeniu minimalnego stężenia dodatku stopowego (C o- min>0,05%). LITERATURA [] H. Fredrikson, E. Mahallwy, M. Taha, Scand. J. of Metall., 986, vol. 5, pp. 27. [2] A. Buchholz, S. Engler, Comput. Materials Science, 996, vol. 7, pp. 22. [3] S. Chang, D.M. Stefanescu, Metal. and Mat. Trans. A, 996, vol. 27A, pp [4] J. Szajnar, J. Gawroński, M. Cholewa, Raport końcowy proj. bad. nr 7 T08B KBN, Politechnika Śl [5] J. Szajnar, Transformacja struktury kolumnowej w równoosiową przy krzepnięciu odlewów z wymuszoną konwekcją wirującym polem magnetycznym. Praca hab., Pol. Śl., Gliwice 200. [6] J. Szajnar, J. Gawroński, Acta Metallur. Slovaca, vol. 8, no. 2, 2002, pp. 74. [7] J. Szajnar, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 42, 2000, s. 33. SUMMARY THE CHANGE OF COLUMNAR CRYSTALS ZONE IN CASTS OF SOLIDYFING IN MAGNETIC FIELD In this work the influence of variables factors of pouring in rotating magnetic field on crystals zone is presented. The investigations were maked on alloys AlCu. The variables factors of pouring were as follows: velocity of traffic liquid metal in mould, concentration nominal coppers on alloy AlCu, and temperature of pouring. Equations of regress with factors above - mentioned were the results of investigations. On the base of results of investigations, it was observed that the reduction of columnar crystals zone demands realization of two basic assumptions: - concentration of component in alloy should be above certain minimum - values, - velocity of stream liquid metal before the front of crystallization should exceed min i- mum velocity. Recenzował: prof. dr hab. inż. Jan Głownia 98