Przyczyny zmiany struktury kryształów kolumnowych w odlewach wykonywanych pod wpływem wymuszonej konwekcji

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Przyczyny zmiany struktury kryształów kolumnowych w odlewach wykonywanych pod wpływem wymuszonej konwekcji"

Mariusz Barański
7 lat temu
Przeglądów:

1 AMME th Przyczyny zmiany struktury kryształów kolumnowych w odlewach wykonywanych pod wpływem wymuszonej konwekcji J. Gawroski, J. Szajnar Katedra Odlewnictwa, Politechnika lska ul. Towarowa 7, Gliwice, Poland Konwekcja ciekłego metalu wymuszana przez pole magnetyczne wywołuje zmiany w warunkach oddawania ciepła przez odlew i w rozkładzie składników stopowych. W pracy okrelono zmiany w rozkładzie stenia miedzi w strefie kryształów kolumnowych w odlewach z Al-Cu krystalizujcych pod wpływem wymuszonej konwekcji wirujcym polem magnetycznym (WPM). Stwierdzono, e zmiany w rozkładzie miedzi wywołane wymuszonym ruchem ciekłej fazy s powodem przemiany struktury kolumnowej w równoosiow oraz zmiany kierunku wzrostu tych kryształów. 1. WPROWADZENIE W wyniku oddziaływania wymuszonej przez pole magnetyczne konwekcji i w zalenoci od rodzaju krystalizacji odlewu mog wystpi dwa przypadki rozdziału dodatku stopowego. Pierwszy to ujednorodnienie składu chemicznego wystpujce przy krystalizacji objtociowej. Drugi to rónicowanie si stenia dodatku stopowego na przekroju odlewu wystpujce przy krystalizacji kierunkowej kryształów kolumnowych. Uzyskanie tych zmian wymaga jednak spełnienia dwóch podstawowych czynników [1-5]: stenie składnika stopowego w stopie musi by powyej pewnej minimalnej wartoci, prdko strumienia ciekłego metalu przed frontem krystalizacji powinna przekroczy tzw. prdko minimaln. Zarówno zmiany wywołane wymuszon konwekcj w warunkach oddawania ciepła przez odlew, jak i zmiany w rozkładzie składników stopowych s przyczyn przemiany struktury odlewu krzepncego w polu magnetycznym. Dotychczasowe badania wykazały [4], e zmiany w warunkach cieplnych krystalizacji wywołane wirujcym polem magnetycznym, np. w odlewach z aluminium Al99,7 i stopów Al-Cu, s niewystarczajce do spowodowania przemiany struktury kolumnowej w równoosiow. Zatem istnieje jeszcze inna przyczyna przemiany struktury i moe by ni zmiana warunków rozdziału składnika stopowego na froncie krystalizacji wywołana przepływem ciekłego metalu generowanym przez pole magnetyczne. W niniejszej pracy podjto prób okrelenia zmian w rozkładzie stenia składnika stopowego wywołanych działaniem wymuszonej konwekcji oraz wpływu tych zmian na struktur odlewu i kształt kryształów kolumnowych.

2 200 J. Gawroski, J. Szajnar 2. BADANIA WŁASNE Celem bada było okrelenie rozkładu stenia miedzi wzdłu przekroju poprzecznego wlewków walcowych odlanych ze stopów Al-Cu, a w szczególnoci w kryształach kolumnowych. Postawiono hipotez, e połoenie miejsca przemiany struktury kolumnowej w równoosiow znajduje si w cisłej korelacji ze zmianami stenia miedzi w kryształach kolumnowych, a rónicowanie si stenia miedzi wzgldem osi kryształu kolumnowego stanowi przyczyni do zmiany jego kierunku wzrostu. Zakres bada obejmował wykonanie wlewków ze stopów AlCu0,2 o wymiarach φ45 x 180 mm w wirujcym polu magnetycznym (WPM) przy zmienianej na trzech poziomach wartoci indukcji (0,015 T; 0,025 T; 0,035 T), co jest równoznaczne ze zmianami prdkoci wirowania ciekłego metalu w formie odpowiednio: 0,55 m/s; 0,89 m/s i 1,15 m/s. Wlewki odlewano w kokili grafitowej o gruboci cianki 7 mm. Temperatura zalewania wynosiła 973K. Czas oddziaływania pola magnetycznego wynosił 20s. Próbki do analizy chemicznej wycinano w odległoci 70 mm od dna wlewka. Analiz wykonano na mikroanalizatorze rtg. Stenie okrelano wzdłu promienia wlewka w odległociach co 1mm na długoci 2 mm (rys. 1a) oraz wzdłu linii prostopadłej do głównej osi metalograficznej (rys. 3). Wyniki bada przedstawiono na rys. 1b, 2 i 3. Przeprowadzono równie symulacj krzepnicia odlewu z uwzgldnieniem przepływu ciekłego metalu przed frontem krystalizacji. Model krystalizacji uwzgldniajcy wzajemny wpływ zjawisk cieplnych i przepływowych oparto na równaniach przewodnictwa ciepła i równaniu Naviera-Stokesa. Równania rozwizano metod elementów skoczonych, przyjmujc w modelu komórkowy i paraboloidalny kształt frontu krystalizacji. Wynikiem symulacji s wektory prdkoci ciekłego metalu w pobliu frontu krystalizacji (rys. 4). Szczegółowe rozwizanie przedstawiono w pracach [4-6]. 3. ANALIZA WYNIKÓW Wyniki bada wykazały, e zmiana stenia miedzi w odlewach krzepncych bez wymuszonej konwekcji, niezalenie od wartoci stenia nominalnego znacznie róni si od rozkładu stenia miedzi w odlewach wykonanych w wirujcym polu magnetycznym. Strefa przemiany a) Cu [%] 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 b) x [mm] A20 A19 A18 A17bp Rys. 1. Miejsce pomiaru stenia miedzi (a) oraz jego aproksymowany rozkład w odlewach z AlCu0,2 (b) - odlewy tradycyjne (A17bp) i odlewy wykonane pod działaniem WPM przy rónej prdkoci ciekłego metalu w formie: A18 - V cm max=0,55 m/s, A19 - V cm max=0,89 m/s, A20 - V cm max=1,15 m/s

3 Przyczyny zmiany struktury kryształów kolumnowych w odlewach 201 W pierwszej czci krzywej rozkładu (rys. 1b), obejmujcej zmian stenia Cu w strefie kryształów kolumnowych, mona zauway wyrane zmniejszanie si stenia miedzi mierzonego w kierunku od powierzchni zewntrznej do osi odlewu. Taka zmiana w rozkładzie stenia dodatku stopowego zwizana jest z oddziaływaniem wymuszonego przez pole magnetyczne strumienia ciekłego metalu na front krystalizacji. W wyniku działania wymuszonego ruchu ciekłego metalu wystpuje konwekcyjne odrzucanie składnika w zwizku z tym stenie Cu w tej strefie jest rednio zawsze nisze ni zmierzone odpowiednio na tej samej długoci w odlewach krzepncych tradycyjnie. Wymuszony ruch ciekłej fazy wywołuje te wiksze rónice w rozkładzie miedzi w strefie kryształów kolumnowych. Te rónice s tym wiksze, im wiksze jest nominalne stenie miedzi w stopie i im wiksza jest prdko ciekłej fazy przed frontem krystalizacji (rys. 1b). Najwiksze rónice w rozkładzie stenia wywołuje działanie pola magnetycznego o maksymalnej indukcji B=0,035 T, generujce najwiksz prdko ciekłego metalu V cm =1,15 m/s (próba A20 na rys. 1b). Stwierdzono równie, e najmniejsze stenie miedzi wystpuje w odległoci ok. 8 mm od powierzchni zewntrznej (w strefie kryształów kolumnowych). Od tego miejsca gwałtownie zwiksza si stenie dodatku stopowego, bowiem zanika konwekcyjne odsyłanie miedzi z frontu krystalizacji. Wie si to przede wszystkim ze znacznym, bo o około 50%, spadkiem powierzchnia zewntrzna do osi odlewu powierzchnia zewntrzna do osi odlewu a) b) Rys. 2. Schemat zmian stenia miedzi we wlewkach z AlCu po aproksymacji wyników pomiarów oraz schemat zmian makrostruktury: a) odlewanie tradycyjne, b) odlewanie w polu magnetycznym

4 202 J. Gawroski, J. Szajnar prdkoci ciekłego metalu V cm wynikajcym z ekranowania pola magnetycznego, polegajcego na zmniejszeniu jego indukcji przez zakrzepnit warstw odlewu, a take zmniejszeniem prdkoci krzepnicia wynikajcej z warunków cieplnych. Ponadto z obnianiem si temperatury ciekłego metalu ronie lepko, a tym samym wzrasta szeroko strefy dyfuzyjnej tworzc warunki do mniej intensywnego konwekcyjnego odsyłania składnika z frontu krystalizacji. Z tego powodu ronie stenie bezporednio na froncie krystalizacji co potwierdzono wynikami oblicze [4], ale te ronie rednie stenie w ciekłym metalu. Takie warunki krystalizacji wytworzone przez wirujce pole magnetyczne wi si z szybkim wzrostem przechłodzenia steniowego przed frontem krystalizacji oraz utrat jego trwałoci i s przyczyn transformacji struktury kolumnowej w równoosiow. Na podstawie wyników bada stwierdzono, e wzrost stenia na krzywej rozkładu miedzi pokrywa si z miejscem wystpienia w odlewie zmiany struktury kolumnowej w równoosiow. Obszar ten nazwano stref zmiany struktury kolumnowej w równoosiow (rys. 2b). Po tym obszarze wystpuje strefa kryształów równoosiowych. Badania wykazały, e wymuszona konwekcja wywołana polem magnetycznym powoduje równie rónicowanie si stenia miedzi wzgldem głównej osi krystalograficznej kryształu kolumnowego (rys. 3). Dzieje si tak dlatego, e strumie ciekłego metalu rónicuje szeroko warstwy dyfuzyjnej wokół kryształów tworzcych powierzchni rozdziału. 200µm 200µm a) b) Cu [%] 1 Cu bp 0,8 0,6 0,4 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 y [mm] Cu [%] V cm 0,8 Cu wp 0,6 0,4 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 y [mm] Rys. 3. Rozkład stenia miedzi w kryształach kolumnowych w odlewach z AlCu0,2: tradycyjnych (a) i wykonanych pod wpływem WPM o indukcji B=0,035T (V cm =1,15 m/s) (b) Wyranie wiksza prdko ciekłego metalu od strony napływu cieczy (rys. 4) wywołuje zmniejszenie gruboci warstwy dyfuzyjnej i z tej strony czoła kryształu wystpuje intensywniejsze konwekcyjne odsyłanie domieszki. Powoduje to zuboenie w składnik

5 Przyczyny zmiany struktury kryształów kolumnowych w odlewach 203 stopowy ciekłego metalu na czole komórki od strony napływu cieczy, a wzbogacenie warstwy dyfuzyjnej na czole komórki poprzedzajcej po stronie przeciwnej napływu fazy ciekłej. Objawia si to mniejszym steniem miedzi w kryształach kolumnowych od strony napływu ciekłej fazy (rys. 4). Ta asymetria jest przyczyn wzrostu kryształów z tendencj kierowania si w stron przeciwn do makroskopowego kierunku wymuszenia ruchu fazy ciekłej. a b Rys. 4. Wektory prdkoci [m/s] w pobliu frontu krystalizacji przy szerokoci warstwy zakrzepłej l S =r o /4; paraboloidalny front krystalizacji; a:b=4:1 4. WNIOSKI 1. Wzrost stenia na krzywej rozkładu miedzi wzdłu promienia wlewka pokrywa si z miejscem wystpienia zmiany struktury kolumnowej w równoosiow. 2. Zmian kierunku wzrostu kryształów kolumnowych mona uzasadni mniejszym steniem miedzi na tej czci czoła kryształu, na której wystpuje intensywne konwekcyjne odsyłanie tego składnika spowodowane wiksz prdkoci wymuszonego ruchu ciekłego metalu. LITERATURA 1. J. Szajnar, J. Gawroski, M. Cholewa, Raport kocowy projektu badawczego nr 7 T08B KBN, Politechnika l A. Buchholz, S. Engler, Comput. Materials Science, vol. 7, (1996) S. Chang, D.M. Stefanescu, Metal. and Mat. Trans. A, vol. 27A, (1996) 2708.

6 204 J. Gawroski, J. Szajnar 4. J. Szajnar, Transformacja struktury kolumnowej w równoosiow przy krzepniciu odlewów z wymuszon konwekcj wirujcym polem magnetycznym. Praca habilit., Politechnika lska, Gliwice J. Szajnar, Archiwum Odlewnictwa, vol. 1, No. 1, (2/2), (2001) J. Szajnar, Acta Metallurgica Slovaca, vol. 8, No. 2, (2002) 168.

Podobne dokumenty

ZMIANY W ROZKŁADZIE MIEDZI JAKO PRZYCZYNA PRZEMIANY STRUKTURY W ODLEWACH WYKONYWANYCH W POLU MAGNETYCZNYM

61/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ZMIANY W ROZKŁADZIE MIEDZI JAKO PRZYCZYNA PRZEMIANY STRUKTURY W ODLEWACH