WSPOMAGANIE MODYFIKACJI POLEM MAGNETYCZNYM

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 25 nr 1 lub 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2005 JAN SZAJNAR *, TOMASZ WRÓBEL ** WSPOMAGANIE MODYFIKACJI POLEM MAGNETYCZNYM W pracy przedstawiono badania nad wspólnym oddziaływaniem modyfikacji tytanem i borem oraz wirującego i impulsowego rewersyjnego pola magnetycznego na stopień rozdrobnienia struktury aluminium. Miarą stopnia rozdrobnienia i ujednorodnienia struktury jest wielkość strefy kryształów równoosiowych zwiększanej kosztem redukcji strefy kryształów kolumnowych, która jest szczególnie niepożądana w odlewach ciągłych i półciągłych przeznaczonych do obróbki plastycznej, gdyż powoduje znaczne obniżenie prędkości wyciskania wlewków w prasach oraz rozwarstwienie wlewków w strefie zewnętrznej podczas walcowania. Uzyskane wyniki pokazują ścisłą relację między wielkością strefy kryształów równoosiowych a parametrami odlewania tj. częstotliwością pulsacji pola, mocą pola magnetycznego reprezentowaną pośrednio przez natężenie prądu zasilającego induktor oraz ilością modyfikatora typu Al- Ti5B. Słowa kluczowe: modyfikacja, pole magnetyczne, aluminium 1. WPROWADZENIE Jednym ze sposobów poprawy jakości struktury, a zwłaszcza jej rozdrobnienia, jest stosowanie zabiegu modyfikacji. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego metalu odpowiedniej ilości modyfikatora, na tyle dużej, aby poprzez wytworzenie dodatkowych zarodków krystalizacji pojawiło się rozdrobnienie struktury. W przypadku aluminium jest to najczęściej dodatek tytanu wprowadzany łącznie z borem. Taka modyfikacja możliwa jest w przypadku gdy dodawana ilość modyfikatora nie przekracza dopuszczalnej przez normę zawartości zanieczyszczeń w metalu. Trudność odpowiedniego rozdrobnienia i ujednorodnienia struktury krystalicznej odlewu pojawia się wówczas gdy wykonuje się odlewy z metali o dużej czystości, gdzie w tradycyjnych warunkach krzepnięcia tj. w krystalizatorze przy odlewaniu ciągłym, tworzy się struktura prawie wyłącznie złożona z kryształów kolumnowych. Wówczas wprowadzana do me- * dr hab. inż. prof. Pol. Śl. ** mgr inż. Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

2 2 J. Szajnar, T. Wróbel talu typowa ilość modyfikatora przekracza dopuszczalne przez normę stężenie zanieczyszczeń i taki zabieg staję się niedopuszczalny [4, 6]. W związku z tym wpływ niewielkiej ilości pierwiastków modyfikujących może zostać wzmocniony przez drugi sposób rozdrobnienia struktury tj. wykorzystanie czynnika zewnętrznego jakim jest oddziaływanie pola magnetycznego na proces krystalizacji odlewu, poprzez zmianę warunków termicznych i stężeniowych, które zależą od wartości indukcji pola magnetycznego B, czyli od prędkości ruchu ciekłego metalu w formie V cm, gdyż z pewnym przybliżeniem można zapisać, że: B V cm = (1) ρ gdzie: ρ gęstość metalu. Zależność prędkości ruchu ciekłego metalu w formie od wartości indukcji magnetycznej przedstawiono na rys.1. Rys.1. Zależność maksymalnej prędkości obwodowej V cm ciekłego metalu w formie cylindrycznej o średnicy 45mm od indukcji B pola magnetycznego Fig.1. Dependence of maximum peripheral velocity of liquid metal V cm in a cylindrical mould of inside diameter 45mm on magnetic field induction B Wymuszony polem magnetycznym ruch ciekłego metalu jest przyczyną tworzenia się dodatkowych zarodków krystalizacji poprzez dyspersję kryształów pływających w cieczy, erozję frontu krystalizacji, przenoszenie kryształów ze swobodnej powierzchni w głąb ciekłego metalu itp [7, 8]. Współdziałanie obu tych mechanizmów tworzenia dodatkowych zarodków krystalizacji tj. poprzez oddziaływanie pola magnetycznego i poprzez wprowadzenie niewielkiej, mniejszej niż zalecanej w tradycyjnym procesie modyfikacji

3 Wspomaganie modyfikacji polem magnetycznym 3 ilości modyfikatora powinno być przyczyną rozdrobnienia struktury krystalicznej metali o dużej czystości. Nie jest to możliwe przy zastosowaniu jednej z tych metod, muszą być stosowane obie razem, co wynika z prac [5, 7]. Najczęściej spotykane jest oddziaływanie na proces krystalizacji dwóch typów pola magnetycznego tj. wirującego WPM (rys.2a) lub impulsowego rewersyjnego IRPM (rys.2b). Różnica w działaniu tych pól sprowadza się do zastosowania w IRPM przerwy w wytwarzaniu pola magnetycznego pomiędzy zmianą kierunku jego wirowania podczas gdy w WPM występuje tylko jeden ciągły kierunek ruchu ciekłego metalu [2, 3, 5]. Rys.2. Schemat działania wirującego (a) i impulsowego rewersyjnego pola magnetycznego (b) Fig.2. Scheme of rotating (a) and impulse reverse magnetic field (b) influence on liquid metal 2. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było określenie wpływu oddziaływania pola magnetycznego (wirującego WPM oraz impulsowego rewersyjnego IRPM) wzmocnionego niewielkim dodatkiem modyfikatora (Ti + B) na rozdrobnienie struktury odlewów z aluminium. Ilość wprowadzonego modyfikatora jest mniejsza od sumarycznej ilości zanieczyszczeń dopuszczanych przez normę. W eksperymencie zostało wykorzystane stanowisko badawcze (rys.3), w skład którego wchodziły [1]: stojan silnika asynchronicznego 1 pełni on funkcje wzbudnika, wirnik zostaje zastąpiony wsadem metalowym, który stanowi forma z ciekłym metalem 2, autotransformator 3 reguluje napięcie trójfazowe zasilające wzbudnik; dokonuje zmiany wartości indukcji, amperomierz zastosowany do pomiaru prądu zasilającego wzbudnik,

4 4 J. Szajnar, T. Wróbel multiwibrator MWE zmienia za pomocą przekaźników kierunek wirowania pola magnetycznego powodując jego rewersję. Zbudowany z dwóch układów scalonych gwarantujących uzyskanie stabilności generowanych impulsów. Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego: 1 induktor wytwarzający pole magnetyczne, 2 forma, 3 transformator, A amperomierz, MWE multiwibrator (dla IRPM) Fig. 3. Test stand scheme: 1 magnetic field coil, 2 mould, 3 three-phase transformer, A ammeter,mwe multivibrator (only for IRPM) Badania prowadzono wykonując wlewki walcowe z aluminium EN AW-Al 99,98 o średnicy 45 mm i wysokości 180 mm w kokili grafitowej o grubości ścianki 6 mm. Metal topiony był w piecu indukcyjnym tyglowym i następnie po zmierzeniu temperatury termoparą NiCr-NiAl wlewany do formy (temperatura zalewania 740 C). Zalewanie formy odbywało się przy działającym impulsowym rewersyjnym polu magnetycznym o częstotliwości pulsacji 0,4, 1 i 1,5 Hz, natężeniu prądu zasilającego induktor 2, 8 i 10 A oraz czasie oddziaływania pola 10 i 30 s liczonego od końca zalewania. Ponadto wykonano odlewy przy działającym wirującym polu magnetycznym o natężeniu prądu zasilającego induktor 10A i czasie oddziaływania pola 30s. Ilość wprowadzanego modyfikatora (Ti+B) wynosiła i ppm. Wartość indukcji magnetycznej określano przed zalaniem formy na jej wewnętrznej ściance za pomocą teslomierza TH26. Odlewy wyjęte z kokili przecinano w odległości 55 mm od dna wlewka i następnie szlifowano oraz trawiono w odczynniku o następującym składzie: 50g Cu, 400ml HCl, 300ml HNO 3 i 300 ml H 2 O, w celu ujawnienia struktury. Ujawnioną strukturę odlewów fotografowano cyfrowym aparatem fotograficznym Nikon. Następnie korzystając z programu Multi Scan Base (program do przetwarzania i analizy obrazów) określono średnią powierzchnię kryształu kolumnowego PKK i równoosiowego PKR oraz szerokość strefy kryształów kolumnowych SKK [mm 2 ], na podstawie której wyznaczono procentowy udział strefy kryształów równoosiowych SKR [%]. Rzeczywiste stężenie pierwiastków modyfikujących Ti i B w odlewach próbnych, określono przy użyciu optycznej spektometrii emisyjnej. Pełny zakres badań przedstawiono w tablicy 1.

5 Wspomaganie modyfikacji polem magnetycznym 5 Zakres i wyniki badań Range and results of investigations Tablica 1 Nr wytopu Typ pola f [Hz] I [A] B [mt] t [s] Ti * [ppm] Ti ** [ppm] Zgar Ti [%] B * [ppm] B ** [ppm] Zgar B [%] , ,5 23, ,40 03 IRPM 0, ,19 04 WPM , ,5 26, , ,5 20,12 9 0, ,5 28, , , , ,13 IRPM 22 0, , , , , ,15 1A 1, ,5 20,0 9A 0, ,5 38,63 24A 0, ,07 1B ,77 WPM 2B ,96 * założona ilość pierwiastka ** rzeczywista ilość pierwiastka SKR [%] 3. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE Wyniki badań obejmujące pomiary procentowego udziału strefy kryształów równoosiowych (SKR) oraz rzeczywiste stężenie pierwiastków modyfikujących Ti i B przedstawiono w tablicy 1. Natomiast wyniki pomiarów średniej powierzchni kryształu kolumnowego (PKK) i równoosiowego (PKR) zestawiono w tablicy 2. Wybrane wyniki badań metalograficznych przedstawiono na rys Wspólne oddziaływanie czynnika wewnętrznego w postaci modyfikatora (Ti+B) i zewnętrznego w postaci wirującego lub impulsowego rewersyjnego pola magnetycznego (rys ), zapewnia uzyskanie większego stopnia rozdrobnienia struktury odlewów aniżeli w przypadku oddziaływania tych czynników każdego z osobna (rys. 5 9).

6 6 J. Szajnar, T. Wróbel Nr wytopu Wyniki badań geometrii kryształów kolumnowych i równoosiowych Results of columnar and equiaxed crystals geometry measurements Średnia powierzchnia kryształu kolumnowego PKK [mm 2 ] Średnia powierzchnia kryształu równoosiowego PKR [mm 2 ] Średni wymiar kryształu kolumnowego * D 1 [mm] D 2 [mm] Tablica 2 Średni wymiar kryształu równoosiowego ** D 1 [mm] D 2 [mm] 0 20,70 4,13 19,11 1,12 2,02 2, ,39 2,57 17,32 1,08 1,23 1, ,49 3,13 20,96 1,42 1,45 1, ,26 4,90 20,04 1,23 2,16 2, ,31 4,16 19,08 1,05 2, ,08 1,94 11,03 0,93 0,89 0, ,86 2,41 18,02 1,11 1,67 1,34 7 6,77 2,31 8,98 0,77 1,78 1,29 9 7,93 2,08 9,56 0,89 1,32 1, ,85 3,02 16,78 1,09 2,03 1, ,73 3,56 15,71 1,24 2,11 2, ,37 2,40 10,88 1,09 1,23 1, ,80 2,55 19,56 1,04 1,50 1, ,83 5,30 14,68 1,12 2,34 2,07 1A 12,57 2,21 11,97 1,10 1,45 1,66 9A 8,29 1,12 9,12 0,96 0,88 1,09 24A 14,25 4,07 12,88 1,13 1,89 1,67 1B 7,89 0,64 7,65 1,04 0,67 0,82 2B 9,65 1,31 8,64 1,12 1,56 1,39 * wymiary charakterystyczne kryształu kolumnowego (rys. 4a), ** wymiary charakterystyczne kryształu równoosiowego (rys. 4b); a) b) Rys. 4. Wymiary charakterystyczne kryształów kolumnowych (a) i równoosiowych (b) Fig. 4. Typical dimension of columnar crystals (a) and equiaxed crystals (b)

7 Wspomaganie modyfikacji polem magnetycznym 7 Rys. 5. Makrostruktura próbki 0 Próbka wzorcowa Fig. 5. Macrostructure of sample number 0 Casting without influence of magnetic field and inoculation - standard sample Rys. 6. Makrostruktura próbki 01 Próbka modyfikowana (200Ti + 40B)[ppm] Fig. 6. Macrostructure of sample number 01 Casting with inoculation (200Ti + 40B)[ppm] and without influence of magnetic field Rys. 7. Makrostruktura próbki 02 Próbka modyfikowana (50Ti + 10B)[ppm] Fig. 7. Macrostructure of sample number 02 Casting with inoculation (50Ti + 10B)[ppm] and without influence of magnetic field Rys. 8. Makrostruktura próbki 03. Wykonywanej pod wpływem IRPM; f = 0,4[Hz], B = 50[mT], t = 30[s] Fig. 8. Macrostructure of sample number 03 Casting with influence of IRPM; f = 0,4[Hz], B = 50[mT], t = 30[s] and without inoculation Rys. 9. Makrostruktura próbki 04. Wykonywanej pod wpływem WPM; B = 50[mT], t = 30[s] Fig. 9. Macrostructure of sample number 04 Casting with influence of WPM; B = 50[mT], t = 30[s] and without inoculation Rys. 10. Makrostruktura próbki 9A. Wykonywanej pod wpływem IRPM; f = 1[Hz], B = 50[mT], t = 30[s] i modyfikowanej (200Ti + 40B)[ppm] Fig. 10. Macrostructure of sample number 9A Casting with influence of IRPM; f = 0,4[Hz], B = 50[mT], t = 30[s] and with inoculation (200Ti + 40B)[ppm]

8 8 J. Szajnar, T. Wróbel Rys. 11. Makrostruktura próbki 1B. Wykonywanej pod wpływem WPM; B = 50[mT], t = 30[s] i modyfikowanej (200Ti + 40B)[ppm] Fig. 11. Macrostructure of sample number 1B Casting with influence of WPM; B = 50[mT],t = 30[s] and with inoculation (200Ti + 40B)[ppm] Rys. 12. Makrostruktura próbki 2B. Wykonywanej pod wpływem WPM; B = 50[mT],t = 30[s] i modyfikowanej (50Ti + 10B)[ppm] Fig. 12. Macrostructure of sample number 2B. Casting with influence of WPM; B = 50[mT],t = 30[s] and with inoculation (50Ti + 10B)[ppm] Zmniejszenie częstotliwości pulsacji impulsowego rewersyjnego pola magnetycznego powoduje zwiększenie strefy kryształów równoosiowych (rys. 13). Wynika to z dużych prędkości ruchu jakie osiąga ciekły metal w formie i w związku z tym większych sił rozrywających kryształy kolumnowe tworzące front krystalizacji. Powstają w ten sposób dodatkowe zarodki krystalizacji. Zwiększenie udziału procentowego strefy kryształów równoosiowych powoduje również wzrost natężenia prądu zasilającego induktor, równoznaczny ze wzrostem indukcji pola magnetycznego (rys. 14). Dotychczasowe badania wykazały, że najintensywniej ze wszystkich parametrów procesu na udział procentowy strefy kryształów równoosiowych wpływa ilość modyfikatora Ti+B (rys.15). Wprowadzenie 200ppmTi + 40ppmB zapewnia wyraźnie większe rozdrobnienie niż w przypadku wprowadzenia czterokrotnie mniejszej ilości tego samego modyfikatora bezwzględu na rodzaj stosowanego pola magnetycznego. Stwierdzono, że czas oddziaływania pola jest parametrem, którego wartość praktycznie nie wpływa istotnie na wielkość rozdrobnienia struktury badanych odlewów. Ponadto wirujące pole magnetyczne korzystniej w porównaniu do impulsowego rewersyjnego oddziaływuje na stopień rozdrobnienia struktury (rys. 16).

9 Wspomaganie modyfikacji polem magnetycznym 9 Rys. 13. Strefa kryształów równoosiowych SKR w funkcji częstotliwości pulsacji f B = 45[mT], M = (200Ti + 40B)[ppm], t = 30[s] Fig. 13. Equiaxial crystal zone content - SKR in pulse frequency - f function Rys.14. Strefa kryształów równoosiowych SKR w funkcji indukcji pola magnetycznego B f = 0,4[Hz], M = (200Ti + 40B)[ppm], t = 30[s] Fig. 14. Equiaxial crystal zone content SKR in magnetic induction - B function Rys. 15. Wpływ ilości modyfikatora (Ti +B) na udział procentowy strefy kryształów równoosiowych SKR Fig. 15. Influence of inoculant (Ti+B) content on equiaxialcrystal zone content SKR Rys.16. Wpływ rodzaju stosowanego pola magnetycznego na rozdrobnienie struktury odlewu B = 50[mT], t = 30[s] i dla IRPM f = 0,4[Hz] Fig. 16. Influence of magnetic field type on degree of fineness in cast structur 4. WNIOSKI Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że: Stosowanie pola magnetycznego w połączeniu z oddziaływaniem modyfikatora (Ti+B) zapewnia zwiększenie strefy kryształów równoosiowych w odlewach. Wielkość strefy kryształów równoosiowych w strukturze odlewu aluminiowego najsilniej zależy od ilości wprowadzonego dodatku modyfikatora. Oddziaływanie wirującego pola magnetycznego zapewnia korzystniejsze rozdrobnienie struktury w porównaniu z impulsowym rewersyjnym polem magnetycznym.

10 10 J. Szajnar, T. Wróbel Wzrost częstotliwości pulsacji oraz zmniejszenie wartości indukcji pola (prądu zasilającego induktor) obniża efektywność oddziaływania impulsowego rewersyjnego pola magnetycznego na rozdrobnienie struktury. Parametrem mającym najmniejszy wpływ na rozdrobnienie struktury jest czas oddziaływania pola magnetycznego. LITERATURA [1] Kasperczyk P., Projekt i wykonanie induktora do wytwarzania pulsacyjno-rewersyjnego pola magnetycznego. Praca dyplomowa, Politechnika Śl., Gliwice [2] Miś K., Oddziaływanie impulsowego pola magnetycznego na strukturę odlewów. Praca dyplomowa, Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, Gliwice [3] Ponikwia P., Odlewanie stopów aluminium w impulsowym polu magnetycznym. Praca dyplomowa inżynierska, Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, Gliwice [4] Szajnar J., Gawroński J., Sposób wykonywania odlewów, zwłaszcza z aluminium i jego stopów. Patent PL nr z dnia [5] Szajnar J., Stawarz M., Wróbel T., Inoculation of pure aluminium structure with Ti + B addition in impulse magnetic field, The 11th International Scientific Conference on the Contemporary Achievements in Mechanics, Manufacturing and Materials Science CAM3 S 2005, (on CD), nr [6] Szajnar J., Określenie wpływu wirującego rewersyjnego pola magnetycznego na proces krzepnięcia odlewu. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice [7] Szajnar J., Transformacja struktury kolumnowej w równoosiową przy krzepnięciu odlewów z wymuszona konwekcją wirującym polem magnetycznym Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej, Mechanika z. 138, Gliwice [8] Szajnar J., The columnar crystals shape and castings structure cast in magnetic field, Journal of Materials Processing Technology, , 2004, p.761. Praca wpłynęła do Redakcji dd.mm.2006 Recenzent: prof. dr hab. inż. Imię i Nazwisko INOCULATION AIDED BY MAGNETIC FIELD S u m m a r y The work presents results of investigations on common influences of addition inoculant titanium and boron and rotate and impulse magnetic field on size reduction of pure aluminium structure. The results of investigations show relationship between area of equiaxial zone and pouring parameters: pulse frequency of magnetic field, power of magnetic field represent indirectly by the current intensity which supplies inductor and quantity of inoculant sort AlTi5B. Key words: ioculation, magnetic field, aluminium Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy 3 T08B