5/37 ROLA PARAMETRÓW PROCESU KRYSTALIZACJI PRZY FORMOWANIU SIĘ STRUKTURY ZORIENTOWANEJ W WARUNKACH PRZEPŁYWU METALU W KANALE FORMY

Transkrypt

1 5/37 Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998 PAN Katowice PL ISSN ROLA PARAMETRÓW PROCESU KRYSTALIZACJI PRZY FORMOWANIU SIĘ STRUKTURY ZORIENTOWANEJ W WARUNKACH PRZEPŁYWU METALU W KANALE FORMY BYDAŁEK Adam W. Instytut Inżynierii Produkcji i Materiałoznawstwa Politechniki Zielonogórskiej ul.z. Szafrana 2, Zielona Góra WOŁCZYNSKI Waldemar Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie ul. W. Reymonta 25, Kraków DYTKOWICZ Andrzej Katedra Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej w Katowicach ul. Krasińskiego 8, Katowice STRESZCZENIE W pracy przedstawiono analizę teoretyczną mechanizmu formowania się dendrytów zorientowanych w strukturze kanału wlewowego formy odlewniczej. Na podstawie przeprowadzonych badań wykonanych w warunkach dynamicznego krzepnięcia stopów aluminium wyznaczono promień wierzchołka dendrytów kolumnowych. Otrzymane wielkości z pomiarów w warunkach rzeczywistych porównano z wyznaczonymi na podstawie proponowanego przybliżenia. 1.WPROWADZENIE Kształtowanie się odlewu związane jest nieodzownie z wypełnianiem formy przez ciekły stop i krzepnięciem w jego wnęce. W kanałach formy, a szczególnie w kanałach doprowadzających ciekły metal do wnęki odzwierciedlającej właściwy kształt odlewu, zachodzi wydzielani się fazy stałej w warunkach konwekcji wymuszonej. Z opisów literaturowych [1,2,4,8,10,12-16 ] można wnosić o możliwości istnienia wówczas wewnątrz formy stref przechłodzonych sprzyjających istnieniu kryształów i stref przegrzanych w

2 42 których zachodzi nadtapianie ich lub roztapianie. Ponadto można również wyróżnić możliwość mechanicznego łamania dendrytów wyższego rzędu. Ustalono [8] na zasadzie podobieństwa do konwekcji grawitacyjnej, że kryształy z zewnętrznych warstw odlewu podlegają przenoszeniu do wnętrza strugi, gdzie przed frontem krystalizacji, razem z tworzącymi się w przechłodzonej cieczy cząsteczkami, kształtowały kryształy równoosiowe. Prowadzi to do hamowania dalszego rozrastania się kryształów słupkowych, przeciwdziałania gromadzeniu się zanieczyszczeń przed frontem krystalizacji i powstawaniu tym samym strefy transkrystalicznej. Dążąc do sterowania wyżej opisanymi zjawisk zachodzącymi w dynamicznych warunkach wypełniania from odlewniczych opracowane zostały metody pomiarowe [2,5,6,12] w odpowiednio zamodelowanych warunkach. Próby matematycznego opracowanie zagadnienia [3,6,13,16,18] doprowadziły do ustalenia ilości kryształów w momencie zahamowania przepływu, oraz ustalania optymalnych parametrów zalewania form odlewniczych a szczególnie prędkości i temperatury zalewania. Badanie strukturalne siluminów [7,14,15] wykazały daleko idące nieregularności zarówno w makrostrukturze wlewków jak i mikrostrukturze. Posługując się rozwiązaniami dotyczącymi analizy rozwoju powierzchni rozdziału ciecz-faza stała w funkcji czasu i przestrzeni i uwzględnieniu konwekcji cieplnej [6,9,16] opisano przebiegu kształtowania się warstwy kryształów na ściankach próbnej formy sferycznej. W prezentowanej pracy postanowiono przedstawić próbę porównania obliczonych z modelu stacjonarnego wielkości promienia wierzchołków dendrytów [18] z wielkościami promieni dendrytów kształtujących w dynamicznych warunkach wypełniania formy. 2.ANALIZA TEORETYCZNA Istotną rolę w badaniach nad określeniem kinetyki krystalizacji w dynamicznych warunkach przepływu odgrywa morfologia dendrytów, w tym głównie ich wierzchołków. W warunkach występowania zorientowanej krystalizacji, z zastosowaniem wolnych od zanieczyszczeń tlenkowych metali i w stacjonarnych warunkach (np. wg metody Bridgmana) zmiany stężenia wierzchołka i temperatura przechłodzenia dendrytu mogą być wyznaczone w funkcji jego promienia. Wyraża to następujące równanie: P= vr / 2D (1) gdzie: R - promień wierzchołka dendrytu v - prędkość krystalizacji D - współczynnik dyfuzji w fazie ciekłej Przyjmując dalej przesycenie roztworu ciekłego W z rozwinięcia funkcji Ivantsowa, zdefiniowane na podstawie diagramu fazowego dla procesu stacjonarnego jako: W = (C L *- C 0 )/(C L * - C S *) (2) Ostatecznie uzyskać można wyrażenie definiujące stężenie w fazie ciekłej w wierzchołku dendrytu kolumnowego rosnącego w warunkach stacjonarnych: C L * = C 0 / [1-(1-k)I 1 P] (3)

3 43 przy czym C 0 jest nominalnym stężeniem analizowanego stopu. Przechłodzenie wierzchołka dendrytu w warunkach stacjonarnych definiuje się na ogół wg następującego równania: DT = DT D + DT G (4) przy czym : DT D -przechłodzenie stężeniowe, DT G - przechłodzenie wynikające z krzywizny wierzchołka dendrytu. Powstawanie szeregu dendrytów można potraktować jako ruch falowy. Wówczas odległość między sąsiednimi wierzchołkami określa wyrażenie: I = 6,28 [G / m(g C -G T )] (5) gdzie: G C - gradient stężenia, G T - gradient temperatury Zgodnie z kryterium stabilności marginalnej postanowiono przyjąć, że długość fali równa jest promieniowi R. Pozwala to ostatecznie uzyskać następujące wyrażenie na promień R w funkcji parametrów opisujących warunki przebiegu procesu krystalizacji stacjonarnej: R 3 { S v [ m (k-1) C 0 v - G T D k]} + R 2 {S D [ mv ( k - 1 ) C 0 - G T D]} + - R [ 4 Y (3,14) 2 D k v ] - 4 Y 2 (3,14) 2 D 2 = 0 (6) Równanie to pozwala na wyznaczenie promienia wierzchołka dendrytów kolumnowych dla zadanego stopu, określonej prędkości krystalizacji i dla określonego gradientu temperatury. W wyniku prowadzonych badań stwierdzono, że możliwe jest przyjęcie w równaniu nr 6 k=1 dla porównania wartości obliczonych promieni wierzchołków z wyznaczonymi na podstawie analiz metalograficznych. 3. WYNIKI OBLICZEŃ I BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Obliczenia przeprowadzono w oparciu o uproszczony wzór nr 6 podstawiając następujące wartości: Y mn/m D - 2x10-9 m 2 /s v m/s W wyniku obliczeń uzyskano wielkość promienia R = 1,1 x 10-4 m Badania metodą dekantacji przeprowadzono dla siluminu Al-Si11 przyjmując następujące parametry wypełniania kanałów sferycznych formy testowej: średnica kanału 10 mm, prędkość wymuszona 21,5 mm/s, temperatura na wlocie do kanału 945 K. Pomiary przeprowadzono prowadząc pogrążanie do całkowitego zahamowania przepływu, co osiągnięto dla h=47 mm (rysunek 1a). Następny pomiar przeprowadzono dla 3/4 tej wysokości (rysunek 1b) przerywając wypełniania kanały poprzez gwałtowne usunięcie ciekłej fazy (tzw. wylewanie resztek). Wyznaczono całkowitą ilość fazy zakrzepłej w chwili wstrzymania przepływu na 87%, oraz ilość fazy stałej w 3/4 h na 28%.

4 44 Na rysunkach 1a i 1b zaznaczono analizowane dendryty. Z przedstawionych struktur wyznaczono średnią wielkość promienia dendrytów na : 1,4 x 10-4 m - przy wstrzymanym przepływie, 1,2 i 2,8 x 10-4 m (wyróżniono dwie grupy) dla pierwszej strefy, oraz 1,6 x 10-4 m dla drugiej strefy kolumnowej kształtującej się przy przepływie. a) b) Rys. 1. Makrostruktury (pow.4,5x) siluminu Al-Si11 krzepnącego w kanale testowym formy)-struktura dla zatrzymanego przepływu dla h max, b)-struktura dla przerwanego przepływu w 3/4h max Fig.1. Macrostructures (enlarged 4,5x) of Al.-Si11 silumin solidifying in a test channel of the form: a) structure of a stopped flow for h max, b) structure of a broken flow at ¾ h max 4. WNIOSKI Obliczona wg zależności wartości promienia wierzchołka dendrytów okazała dużą zgodność z wielkościami wyznaczonymi z doświadczenia. Szczególnie wartości uzyskane w chwili niewymuszonego wstrzymania przeplywu strugi w kanale formy okazała się zbliżona do wartości R wyliczonej dla stacionarnej krystalizacji, natomiast odstępstwa występujące dla

5 45 wyznaczonych wartości wierzchołka R w trakcie przeplywu wykazują większe rozbieżności co wynika z nieustaonych warunków krystalizacji w przepływie. Na podstawie wstępnych badań uznano, że możliwe będzie wyznaczenie współczynnika korelacji pomiędzy wartościami R wyznaczonymi w oparciu o model stacjonarny w dynamicznych warunków przepływu strugi metalu w formie. Wymaga to jednak dalszych badań uwzlędniających właściwości wypełniającego formę metalu, formy odlewniczej i warunków przepływu. Przedstawione na rysunku 1 struktury wskazują ponadto na zróżnicowanie morfologii zakrzepniętej w testowym kanale fazy stałej. Rozróżnić można bowiem strefę krzepnięcia z wyraźnym frontem krystalizacji, jak i strefę krystalizacji równoosiowej. Szczególnie interesujące jest brak możliwość rozróżnienia frontu krystalizacji w końcówce odlewu zalanego na maksymalną wysokość h. W jego strukturze wyróżnić co prawda można niewielką strefę przyścienną kryształów kolumnowych, dominują jednak kryształy równoosiowe. Można to uznać z jednej strony za potwierdzenie teorii wstrzymywania przepływu poprzez tworzenie się korka z przenoszonych w fazie ciekłej kryształów fazy stałej, lub wpływu oddziaływań cieplnych w tracie krzepnięcia statycznego zatrzymanej suspensji. W trakcie przepływu (rys.1b) wyraźnie można bowiem wyróżnić dwie strefy krystalizacji kierunkowej w obszarze przepływu (X) i obecność kryształów równoosiowych w domniemanym obszarze tworzenia korka. przy czy wielkość tych kryształów jest porównywalna z obserwowanymi we wlewku otrzymanym dla całkowitego zahamowania przepływu (rys. 1a). Wstrzymywanie przepływu w środkowej części narastającej fazy stałej przemawia tutaj za teorią Flemingsa [8,10,13] jak dla stopu niskoprocentowego, z płaskim warstwowo-chropowatym frontem krystalizacji. LITERATURA [1] Braszczyński J.: Teoria procesów odlewniczych, PWN, Warszawa 1989 [2] Bydałek A.:Gisserei TWB, Z.2, 1964, 197 [3] Bydałek A.:Gisserei TWB, Z.2, 1965, 105 [4] Bydałek A.: Określanie wpływu parametrów..., Zesz. Nauk. Pol.Wrocławskiej, Mechanika.XVII, Nr 123, 1965 (monogr. hab.) [5] Bydałek A., Wantoła L.:Prace Naukowe IT BM Pol. Wrocławskiej, z. 37, 1988, 17 [6] Bydalek A. Lipnicki Z.: Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN Katowice, t.15, 1990, 77 [7] Bydalek A.W.: Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN Katowice, t.19, 1994, 87 [8] Chalmers B.: Journal Aus. Inst. Met. N. 8, 1963, 225 [9] Dawis S.H., Muller U., DietscheC.: Fluid Mech., N. 144, 1984, 133 [10] Fraś E.: Krzepnięcie metali i stopów, PWN, Warszawa 1991 [11] Mai R., Drossel G.:Gissereitechnik, N.3, 1981, 78 [12] Mutwil J.: Patent RP, nr , 1991 [13] Mutwil J.: Ocena zjawisk fizykochemicznych..., WSI Zielona Góra, 1992 (mon. hab.) [14] Mutwil J. Engler S.: Arch. Techn. Maszyn i Autom., KBM PAN Poznań, 16, 1996, 51 [15] Mutwil J.: Arch. Techn. Maszyn i Autom., KBM PAN Poznań, 17, 1997, 109 [16] Lipnicki Z., Sobich J.: Magnetohydrodynamics, vol.31, No3, 1995, 264 [17] Oya S., Sayashi W.,; Japan Found. Soc., N.2, 1980, 132 [18] Skoczylas R.:Acta Metall. Slovaca, no. 2,1998, 237 [19] Wołczyński W., Bobadilla M: Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN Katowice, 23, 1994, 85

6 46 THE ROLE OF PARAMETERS OF CRYSTALLISATION PROCESS WHEN FORMING ON ORIENTED STRUCTURE UNDER CONDITIONS OF METAL FLOW IN A FORM CHANNEL. Abstract Theoretical analysis of mechanism of dendrids oriented in a structure of on inlet channel of a casting mould is presented in the paper. A radius of top of column dendrids was esablished on the basis of the research mode under the conditions of dynamic solidification of aluminum alloys. The results derived from measurements were compared to the ones established on the basis of proposed approximation.