SKŁONNOŚĆ ALUMINIUM I DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al-Si DO TWORZENIA OBCIĄGNIĘĆ

Transkrypt

1 4/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN SKŁONNOŚĆ ALUMINIUM I DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al-Si DO TWORZENIA OBCIĄGNIĘĆ STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Opisano stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć. Pomiar ciśnienia w krzepnącym odlewie i temperatury w odpowiednich jego miejscach pozwala ocenić mechanizm powstawania obciągnięć. Przedstawiono wyniki badań dla aluminium i dwuskładnikowych stopów Al-Si. Key words: shrinkage depression formation, Al-Si binary alloys 1. WPROWADZENIE Wywołana niezadowalającym zasilaniem powierzchniowa wada skurczowa pojawiająca się najczęściej w obszarach węzłów cieplnych odlewu nazywana jest obciągnięciem. Obszerny opis metod badania i poglądów na temat skłonności metali i stopów do obciągnięć przedstawił Z. Górny w pracy [1], wskazując szeroki zakres temperatur krzepnięcia stopu, jako podstawowy czynnik sprzyjający powstawaniu tej wady. Zakres temperatur krzepnięcia i warunki stygnięcia odlewu decydują o sposobie krzepnięcia stopu, który faktycznie determinuje miejsce i rodzaj powstających w odlewie wad skurczowych. Stwierdzono na przykład, że pojawienie się w odlewie otwartej jamy skurczowej istotnie ogranicza możliwość powstania obciągnięcia i odwrotnie [2]. Mechanizm powstawania obciągnięć nie jest dokładnie wyjaśniony, ale pogląd o istotnej roli pojawiającego się w okresie krzepnięcia i wynikającego ze skurczu podciśnienia wewnątrz odlewu [2] wydaje się słuszny. Propozycję stanowiska badawczego pozwalającego oceniać ciśnienie względne wewnątrz krzepnącego odlewu przedstawiono w pracy [3]. Opracowując stanowisko założono, że dla oceny mechanizmu powstawania obciągnięcia rejestrowany powinien być przebieg krzepnięcia metalu w kokili o prostej geometrii (odlew walca i stożka ściętego), lecz 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl

2 38 lokalnie zróżnicowanych warunkach odprowadzania ciepła (miejscowe zmniejszenie intensywności odprowadzania ciepła). Wtedy w obszarze zmniejszonej intensywności studzenia odlewu powinny stworzyć się warunki do powstania obciągnięcia. W miejscu tym mierzona powinna być temperatura powierzchni odlewu, co zapewni uchwycenie momentu zapadania się jego ścianki. Pomiar temperatury powinien być też realizowany w osi odlewu i na przekroju ścianki, a ciśnienia w obszarze węzła cieplnego. 2. OPIS BADAŃ Schemat stanowiska do badania mechanizmu powstawania obciągnięć w odlewie stożka ściętego przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć: 1-podstawa formy; 2- dzielona górna część formy; 3-pokrywa; 4- wkładka z masy formierskiej; 5- badany metal; 6- rurka stalowa; 7, 8, 9, 10, 11- termoelementy płaszczowe; 12-manometr analogowy; 13-mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16; 14-komputer PC Fig. 1. Test stand for investigation of metals and alloys susceptibility to formation of shrinkage depression: 1- base of mould; 2- top part of split mould ; 3- cover ; 4- sand insert; 5- tested metal; 6- steel pipe; 7, 8, 9, 10, 11- mantle thermocouple; 12-analog manometer; 13- microprocessor recorder; 14- microcomputer Widoczna na schemacie kokila pozwala na uzyskanie odlewu stożka ściętego o wymiarach: średnica podstawy D=54 mm, średnica sklepienia d=40 mm, wysokość h=54 mm. Kokila składa się z podstawy, dzielonej formy właściwej oraz pokrywy. Na płaszczyźnie podziałowej wyfrezowano rowek 1,6 x 1,6 mm pozwalający na wprowadzanie do wnęki formy stalowej igły iniekcyjnej 1,6 mm do pomiaru ciśnienia. Na płaszczyźnie podziałowej formy wyfrezowano wybrania do formowania w nich

3 39 wkładki z masy formierskiej. Wspomnianą wkładkę zagęszcza się po złożeniu połówek kokili i wprowadzeniu do jej wnęki rdzenia z poliamidu. Rdzeń jest dokładnie dopasowany do wnęki kokili, dzięki czemu wewnętrzna powierzchnia zagęszczanej wkładki dobrze odwzorowuje fragment ścianki formy. Niewielka zbieżność wybrania zapobiega wypchnięciu przez ciśnienie metalostatyczne wkładki na zewnątrz. Formę wykonano ze stali WCL i ulepszono cieplnie w wysokociśnieniowym piecu próżniowym (temperatura odpuszczania: T = 650 C). Przed zalaniem instalowane są w formie wszystkie czujniki pomiarowe (rys.1). Aby ograniczyć możliwość zaczopowania przez krzepnący metal otworu wlotowego igły, na jej ostrze nakładana jest kostka z filcu ognioodpornego. Do pomiaru temperatury stosuje się płaszczowe termoelementy typu K o średnicy płaszcza 1mm. Termoelement instalowany we wkładce umieszcza się tak, aby jego spoina pomiarowa mogła się zetknąć z powierzchnią odlewu. Jeden z termoelementów wprowadzanych przez dno formy można odgiąć tak, aby - stykając się sprężyście z boczną ścianką formy - mógł mierzyć temperaturę powierzchni odlewu. Formę zalewa się od góry, a bezpośrednio po zalaniu na powierzchnię swobodną metalu można położyć walcową, metalową pokrywę ograniczającą możliwość powstania otwartej jamy skurczowej. Równolegle można prowadzić badania, w których odlew będzie krzepł bez pokrywy, co powinno sprzyjać otwartym jamom skurczowym i ograniczać objętość obciągnięcia. Poniżej przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych na opisanym stanowisku dla aluminium hutniczego A0 i dwusładnikowych stopów Al-Si (AlSi0.85; AlSi1.65; AlSi4.0; AlSi5.4; AlSi6.0; AlSi6.9; AlSi9.4; AlSi11.7; AlSi12.5; AlSi18.0; AlSi21.5). Stopy dwuskładnikowe sporządzono w piecu oporowym, wtapiając krzem do aluminium. Koncentrację krzemu dobierano tak, aby była zbliżona do występującej w silluminach technicznych, bądź odpowiadała charakterystycznym obszarom wykresu równowagi fazowej aluminium-krzem. Dla każdego metalu wykonywano dwa zalania do zimnej kokili, stosując przegrzanie na poziome 150 deg. W pierwszym eksperymencie stosowano pokrywkę zamykającą odlew od góry, w drugim odlew krzepł bez pokrywki. Ciśnienie mierzono na poziomie połowy wysokości wkładki piaskowej, a ostrze igły oddalone było od jej powierzchni o 15 mm. Temperaturę mierzono w pięciu miejscach, a spoiny pomiarowe termoelementów umieszczone były na poziomie igły. Temperaturę T1 mierzono w osi stożka, temperatury T2 i T3 odpowiednio w połowie i dwu trzecich grubości ścianki odlewu, temperaturę T4 wyznaczył termoelement, który odgięto tak, aby jego spoina stykała się z powierzchnią boczną ścianki kokili, natomiast temperaturę T5 mierzył termoelement umieszczony we wkładce piaskowej, tak aby jego spoina pomiarowa wystawała z jej powierzchni (rys. 1). Na rysunku 2 przedstawiono dwa typowe przykłady rejestrowanych w eksperymentach zmian temperatury i ciśnienia względnego wewnątrz odlewu. Aby maksymalnie zwiększyć czytelność rysunku naniesiono na nim jedynie temperatury T1, T4 i T5 oraz krzywą ciśnienia. Każdej linii przypisano też inny kolor. W polu wykresu wydrukowano wartość temperatury likwidus i eutektycznej oraz wartość temperatury w osi odlewu (To), przy której zaczęło powstawać obciągnięcie.

4 40 a) b) Rys. 2. Przykład zarejestrowanych temperatur i ciśnienia w odlewie: a) stop AlSi 9.4; b) stop AlSi 11.7 Fig. 2. Example of temperatures and pressure registered in casting : a) AlSi 9.4 alloy; b) AlSi 11.7 alloy

5 41 Tabela 1. Ilustracje obciągnięć i warunki ich powstawania Table 1. Illustrations of shrinkage depression and their formation conditions % Si Odlew 1- z pokrywą Pk, kpa To,TL, TE, ºC Odlew 2 bez pokrywy Pk, kpa , 652, To,TL, TE, ºC , 653, , 649, , 650, , 630, , 634, , 625, , 626,

6 , 611, , 612, , 601, , 599, , 580, , 581, , 636, , 632, , 675, , 677,

7 43 Rysunek 2a przedstawia krzywe zarejestrowane dla stopu AlSi 9.4 krzepnącego w kokili zamkniętej pokrywą. W odlewie tym obciągnięcie zaczęło się tworzyć w momencie, gdy temperatura w osi stożka była wyższa od temperatury likwidus o 15 deg. Proces tworzenia obciągnięcia zaznaczył się jednoczesnym, szybkim spadkiem temperatury mierzonej termoelementem T5 (zapadanie się ścianki odlewu) i ciśnienia względnego wewnątrz odlewu. Ciśnienie to jeszcze przed rozpoczęciem przemiany eutektycznej osiągnęło wartość zerową, świadczącą o panowaniu w odlewie ciśnienia atmosferycznego. Taka jego wartość świadczy o przeistoczeniu się obciągnięcia w otwartą jamę skurczową, co dobrze ilustruje załączone w tablicy 1 zdjęcie odlewu. O tworzeniu się głębokiej jamy świadczyły też szybkość i poziom obniżenia się temperatury T5. Rysunek 2b jest przykładem krzywych, charakterystycznych dla przypadku powstawania klasycznego obciągnięcia. Krzywe te zarejestrowano dla stopu AlSi 11.7 krzepnącego w kokili zamkniętej pokrywą. Obciągnięcie zaczęło się tu tworzyć w okresie, gdy w osi odlewu panowała już temperatura likwidus. Reprezentowany zmianami temperatury T5 proces zapadania się ścianki był tu powolniejszy. Zapadaniu się ścianki towarzyszył wyraźny spadek ciśnienia wewnątrz odlewu, które w okresie przemiany eutektycznej osiągnęło wręcz wartość ujemną (-2.2 kpa). Utrzymanie podciśnienia wewnątrz odlewu świadczy o jego szczelności i braku otwartej jamy skurczowej. Po całkowitym zakrzepnięciu odlewu wartość podciśnienia zaczęła powoli się zmniejszać, co można przypisać zmniejszaniu się wraz z temperaturą objętości jamy wewnętrznej. Jak wcześniej zaznaczono, rysunek 2 stanowi przykład dwu zasadniczych typów przebiegu procesu powstawania powierzchniowych wad skurczowych. Podobne relacje odnotowano dla pozostałych stopów, dodać tu jednak należy, że uzyskiwano w niektórych eksperymentach zerową, końcową wartość ciśnienia wewnątrz odlewu, pomimo braku widocznej, otwartej jamy skurczowej (Tabela 1). Prawdopodobnie w przypadkach tych mikronieszczelność odlewu wynikała z mikroporowatości międzydendrytycznej. W tabeli 1 przedstawiono ilustracje zdjęciowe większości uzyskanych w eksperymentach odlewów wraz z informacją o wartości końcowego ciśnienia względnego w odlewie oraz temperaturach: likwidus TL, eutektycznej TE i początku zapadania się ścianki To (wartość tej ostatniej temperatury dla odlewów o znikomym obciągnięciu może jednak odzwierciedlać jedynie moment powstawanie szczeliny powietrznej). W tabeli nie ujęto ilustracji dla aluminium i stopów AlSi 6.0 oraz AlSi 12.5 z uwagi na podobieństwo rezultatów uzyskanych odpowiednio dla stopów: AlSi 0.85, AlSi 6.9, AlSi Zgromadzone w tabeli 1 ilustracje zdjęciowe pozwalają zauważyć, że zarówno w odlewach wykonanych z użyciem pokrywy, jak i z jej pominięciem powstawało obciągnięcie na górnej powierzchni odlewu, lecz w przypadku braku pokrywy było ono większe. Konsekwencją powyższego - w większości przypadków była mniejsza tendencja do tworzenia wad skurczowych na powierzchni stożkowej odlewów krzepnących bez udziału pokrywy. Często też brak pokrywy powodował ujawnienie się niewielkiej otwartej jamy skurczowej na powierzchni bocznej (AlSi 0.85, AlSi 5.4, AlSi 21.5). Miejsce występowania tych jam może jednak sugerować, że mogły one powstać w wyniku zetknięcia metalu ze spoiną

8 44 pomiarową termoelementu mierzącego temperaturę T5 ( niedostateczna zwilżalność termoelementu przez ciekły metal często powoduje powstawanie w tym miejscu niewielkich wad powierzchniowych ). 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzone dla aluminium i jego podwójnych stopów z krzemem badania wykazały, że opracowane przez autora stanowisko pozwala na prowadzenie badań nad mechanizmem powstawania obciągnięć w odlewach. Uzyskane rezultaty wykazały, że obciągnięcia zaczynają się tworzyć w początkowym okresie krzepnięcia, a ich powstawaniu towarzyszy spadek ciśnienia wewnątrz odlewu. Dla stopów tworzących szczelną skorupę i wykazujących duży skurcz objętościowy podciśnienie w końcowym okresie krzepnięcia może osiągać wartość pojedynczych kpa. Metale tworzące wytrzymałą warstwę przyścienną mogą przy tym poziomie podciśnienia nie wykazywać skłonności do obciągnięć. W stopach tworzących warstwę o małej wytrzymałości i skłonnych do tworzenia mikroporowatości dendrytycznej obciągnięcia powstają znacznie łatwiej, a ciśnienie względne wewnątrz odlewu osiąga wartość zerową; w stopach tych obciągnięcie może przeistoczyć się w otwartą jamę skurczową. LITERATURA [1] Górny Z.: Metale nieżelazne i ich stopy odlewnicze- topienie, odlewanie, struktury i właściwości, t. II, część 5, Instytut Odlewnictwa, Kraków [2] Kotlarskij F. M. i in.: Obrazovanije utjazki w otlivkach iz aluminievych splavov, Litejnoje Proizvodstvo, nr 4, 1986, s [3] Mutwil J.: Stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć, Archiwum Odlewnictwa vol. 3, nr 8, 2003, s SUSCEPTIBILITY OF ALUMINUM AND Al-Si BINARY ALLOYS TO FORMATION OF SHRINKAGE DEPRESSION SUMMARY A stand for examination of metals and alloys susceptibility to shrinkage depression formation has been described. The measurement of pressure in solidifying casting and temperatures in its appropriate places allows to estimate the course of shrinkage depression formation. The investigation results for aluminum and Al-Si binary alloys have been presented. Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski