22/19 Solidilication of Metais and Alloys, No 22, 1995

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "22/19 Solidilication of Metais and Alloys, No 22, 1995"

Karol Kasprzak
6 lat temu
Przeglądów:

22/19 Solidilication of Metais and Alloys, No 22, 1995 Krzepniecie Melali i Slopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział KalOwice PL ISSN 0208-9386 PRZECHŁODZENIE I ENERGIA AKTYWACJI PRZY WZROŚCIE KRYSZTAŁÓW Z

towarowa 7 h Instytut Fizyki i Chemii Metali, Uniwersytet Śląski, 40-007 Katowice, ul.

1 22/19 Solidilication of Metais and Alloys, No 22, 1995 Krzepniecie Melali i Slopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział KalOwice PL ISSN PRZECHŁODZENIE I ENERGIA AKTYWACJI PRZY WZROŚCIE KRYSZTAŁÓW Z CIECZY WIRUJĄCEJ SZAlNAR Jan, GAWROŃSKI Józef', KANSY Jerzyb "Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska, Gliwice, ul.towarowa 7 h Instytut Fizyki i Chemii Metali, Uniwersytet Śląski, Katowice, ul. Uniwersytecka 4 Konwekcja naturalna, a tym bardziej konwekcja wymuszona zmienia w istotnym stopniu warunki krzepnięcia i krystalizacj i odlewów. W przedstawionej pracy przeprowadzono badania i analizę warunków tworzenia się kryształów kolumnowych z cieklej fazy będącej w wymuszonym przez pole magnetyczne ruchu wirowym. Wyznaczono zmiany prędkości wzrostu kryształów, obliczono przechłodzenie występujące na froncie krystalizacji oraz określono zmiany wartości energii aktywacji dla krystalizacji w warunkach statycznych i przy wirujacej cieklej fazie. 1. WPROWADZENTE W pracach [1-3] wykazano, że przy wymuszonym polem magnetycznym wirowym ruchu cieczy, wzrost kryształów kolumnowych odchyla się od kierunku radialnego a odchylenie ma zwrot przeciwny do kierunku wirowania cieczy (rys. l). Rysunek l. Kryształy kolumnowe we wlewkach z Al99,7 krzepnących: a) w warunkach statycznych, b) przy wymuszonym, wirowym ruchu cieczy Figure l. The col u m nar crystals in the Al99. 7 ingots solidifying: a) at the stalic conditions, b) at the forced rotations of the liquid

2 141 Zmiany w kinetyce procesu krzepnięcia i krystalizacji określano wykorzystujac metodę pomiarów przyrostu warstwy zakrzeplej [2,4]. Istota metody jest wykorzystanie wirujacego pola magnetycznego do oznaczania w krzepnącym odlewie położenia frontu krystalizacji, co jest równoznaczne z wyznaczaniem grubości kolejnych zakrzepłych warstw w przedziajach czasowych mierzonych od początku krystalizacji. Pomiarów dokonuje się w sposób następujący: ciekły metal wlewa się do formy umieszczonej wewnatrz induktora wytwarzającego wirujące pole magnetyczne. Od momentu przekroczenia przez ciekly metal poziomu polowy wysokości wnęki formy liczony jest czas krzepnięcia odlewu tkmr Czas odmierza zegar elektroniczny, uruchamiany w chwili zwarcia elektord przez ciekly metal wlewany do formy (rys. 2). Włączenie pola magnetycznego np. przy tk",r = 5s oznacza, że określona zostanie grubość warstwy zakrzeplej po pięci u sekundach. Wlaczenie działania wiruj<)cego pola magnetycznego wywojuje ruch wirowy cieklej fazy w odlewie i od tej chwili kryształy kolumnowe, tradycyjn ie rosnące prostopadle do powierzchni formy, odchylają swój kierunek wzrostu przeciw strumieniowi c'eczy. W odlewie powstają kryształy kolumnowe odchylane, pokazane na rys. 3. Pomiaru grubości warstwy zakrzeplej dokonuje się na wytrawionym zgładzie metalograficznym. Wyniki tych pomiarów przedstawiono na rys 4 Rysunek 2. Schemat ukladu rejestracji czasu i zalącznia induktora wytwarzającego pole magnetyczne: l,2-elektrody, 3-forma, Z-zegar, 4-wyłacznik Figure 2. A diagram of the system for the time regi stration and of the switch of the magnetic tield producing coil 2. OBLICZENIA PRZECHŁODZENIA.ilT DLA KRYSTALIZACJI W WARUNKACH STATYCZNYCH l DYNAMICZNYCH Opierając s ię na wynikach pomiarów przrostu warstwy zakrzeplej ~ przy krzepnięciu i\199,7 w kokili stalowej w warunkilch statycznych i pod cizialaniem w irującego pola magnetycznego (WPM) (rys. 4) wyznaczono empiryczne formuły (l) i (2) opisujące ten wzrost. Przyrost warstwy zakrzeplej w obu przypadkach określa zależność

5mm 5!O 15 20 t [s] Rysunek 4. Przyrost warstwy zakrzeplej w odlewach z Al99,7 o średnicy 51mm, krzepnących przy indukcji 0,04T Fig. 4. The increase of the solidified layer in the Al99.

3 142 Ę", [1-exp( -at)] (l) Przy krystalizacji z cieczy nieruchomej ~m =22,5mm i a = 0,0385[1/s], zaś ~m =10,2mm a = 0,0747[1/s] dla cieczy wirującej. ~ [mm] lo odlew tradycyjny /' "- / / l '/ V /. ~r V.odlew w polu magnet. Rysunek 3. Struktura wlewka po włączeniu WPM w czasie 5s; ~=3,5mm Fig. 3. The structure of the ingots at 5s after switching on of the rotating magnetic field; ~ =3.5mm 5!O t [s] Rysunek 4. Przyrost warstwy zakrzeplej w odlewach z Al99,7 o średnicy 51mm, krzepnących przy indukcji 0,04T Fig. 4. The increase of the solidified layer in the Al99.7 ingots of diameter 51mm, solidifying at the magnetic induction of 0.04T Chwilową prędkość wzrostu można wyrazić równaniem d~ - = u = ~ aexp( - at) dt "' (2) Znając prędkość u, na podstawie wzoru Tumbulla [5, 6] u = ~ t.t (3) obliczono stosunek s warto śc i przechlodzei1 przy krystalizacji odlewu z cieczy wirującej (t. T.) i przy nieruchomej (6T), po tym samym czasie mierzonym od momentu zalania formy t.t u (4) gdzie up i u oznaczają prędkość wzrostu kryształów (przyrost warstwy zakrzepłej) w warunkach dynamicznych i statycznych. Zależność s od czasu ilustruje rys. 5. Wykorzystując dane doświadczalne (~ i u) obliczono na podstawie zależności (3)

4 143 przechłodzenie na powierł:chni rozdziału faz, wyznaczając najpierw dla Al99,7 współczynnik przyjmując następujące dane materialowe [5,6]: D = 5*10-5 cm 2 /s- współczynnik dyfuzji, 6H = 390 kj/kg- entalpia krystalizacji, d = 4,05* 10-s cm- odległość międzyatomowa, R = 8,314 J/K*mo1- stała gazowa, TE= 993 K- temperatura równow,agowa, 6T = T 8 - T- p rzec hłod zenie metalu. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli l. f <l ' '-... <l 0,6 11 "' 0, t [s] Rysunek 5. Stosunek przechlodzei1 cieczy ruchomej i statycznej na granicy rozdziału faz Figure 5. The ratio of the undercooling for the rotated liquid and the stalic liquid on the crystallisation interface at the analogous conditions of the solidifying Tabela l Prędko ś ć przyrostu warstwy zakrzeplej obliczona wg zależnośc i (l) przechłodzenia na froncie krystalizacji (2) wartość Czas [s] u=j, ur=j/ ót ótp 5 0,81 0,52 l,22 0, ,67 0,36 1,00 0, ,55 0,25 0,83 0, ,45 0,17 0,68 0,26 Mniejsze pr;zechlodzenie występujące przy krystalizacj i przy wymuszonym ruchu cieczy jest jedną z przyczyn mniejszej prędkości wzrostu kryształów. Ruch cieklej fazy jest również, jakjuż wspomniano wyżej, przyczyną zmiany kierunku wzrostu krysztalów kolumnowych (rys. l). Przedstawiona zależność (3) wynika z rozważai1 nad topografią frontu krystalizacji w skali atomowej i opiera się na analizie stru mieni atomów w kierunku do krysztalu z cieczy je i od krysztalu j, do cieczy. Analizowana liniowa prędkość wzrostu jest przedstawiana jako (5)

5 144 j = je - js - strumie 1 wypadkowy (6) (7). ~ f:..ga + f:..g) 1 = v ex s RT (8) Wykorzystując powyższa analizę można prędkość wzrostu krysztalu przedstawić jako wypadkowy strumień atomów prezentowany na rys. 6. a) ~ l i, )i< j;r erystal l erystal erystal kierunek f j, t~ J,- j, + l + ruchu J, cieczy J/. 'P ]w Jr+ i.. i! l_ b) j, - strumień atomów w kierunku transwersalnym, j,p - strumieil atomów w kierunku radialnym, przy krystalizacji z cieczy wirującej, jw - strumie11 wypadkowy przy krystalizacji z cieczy wirującej, j, - strumiet1 wypadkowy przy krystalizacji w warunkach statycznych cp - kąt odchylenia wzrostu krysztalu Rys. 6. Strumienie atomów na czole krysztalu: warunki statyczne (a), ciecz wirująca (b) Figure 6. Atoms flux at the crystallisation front Wykorzy~tuj~c W,Yni~i pomiarów przyrostu warstwy zakrzeplej (rys. 4), wyznaczoąo wartości wektorów! j) i l j!l. Wówczas dla krystalizacji w warunkach statycznyc(1l j J = u, natomiast dla krystalizacji przy wymuszonym wirowym ruchu ciekjej fazy l j3 = up. Wartości powyższe obliczono na podstawie zależ n ości (2). Rozpatrując uklad wektorów na rys. 6 wyznaczono wartość wektora wypadkowego charakteryzującego prędkość wzrostu kryształów kolumnowych z cieczy będącej w wymuszonym ruchu u:l- 1 - cos<p (9) oraz wartość strumienia związanego z prędkością unoszenia atomów poruszającej się cieczy V,l (IQ) Korzystając z zależności (7) i (8) możemy obliczyć stosunek wartości energii aktywacji przy

6 145 krystalizacji z cieczy wirującej!::..g: i w warunkach statycznych!::..g,. (11) Wyniki obli czeń przedstawiono w tabeli PODSUMOW ANIE Przeprowadzone badania i ich analiza dowod zą, że wymuszony ruch cieklej fazy powoduje zmniejszenie prędkości przyrostu warstwy zakrzeplej. Ruch cieczy wywołuje równie ż zmniejszenie przech ł odz enia na froncie krystalizacji. Mniejsza prędkość wzrostu kryształów jest efektem mniejszej częstotliwości przyłącznia atomów, na którą wpływa zmniejszona energia aktywacji występująca przy krystalizacji metalu z cieczy będącej w wymuszonym przez pole magnetyczne ruchu. LITERATURA Tabela 2. Stosunek wartości energii aktywacji przy krystalizacji z cieczy wirującej!::..g/ i w warunkach statyczn vch t. G" Czas [s] t.g.vit.g. 5 0, , , ,92 [l] Gawroński J., Szajnar J.: Zmiany strukturalne i kinetyka krystalizacji odlewu w wirującym rewersyjnym polu magnetycznym. Krzepnięcie Metali i Stopów, 1988, z. 13, s [2] Szajnar J., Gawroński J. : Kierowanie krystalizacją odlewów w polu magnetycznym. Raport końcowy proj. bad. nr Ol KBN, Folitechnika śl., grudzień [3] Szajnar J. : Krzepnięcie Metali i Stopów, 1987, z. 20, s. [4] Szajnar J., GawrOI1ski J.: Zgłoszenie patentowe RP, nr 3012/561!993. [5] Braszczyński J. : Krystalizacja odlewów. WNT, Warszawa, [6] Fraś E.: Krystalizacja metali i stopów. PWN, Warszawa, Undercoołing and activation energy for crystałs g1 owth f1 om the I'Ołat i ng łi qu i d The natura! convection, the more the forced convection, changes substantially the conditions of the casting's soł!difying and crystallisation. In the paper an investigation and analusis of the columnar crystałs growth from the liquid phase, forced by the rotating magnetic field, is caried out. There has been determined the rate of the crystals' growth, the undercooling at the crystallisation front and the changes of the activation energy for crystallisation from the static and rotating liquid metal.

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