STABILNOŚĆ FRONTU KRYSTALIZACJI W ODLEWNICZYCH STOPACH CYNKU ADAMMICKER

Transkrypt

1 19, 1994 Sidificatin f Metais and Ays Knepnięcie Metai i Stpów PL ISS STABILOŚĆ FROTU KRYSTALIZACJI W ODLEWICZYCH STOPACH CYKU ADAMMICKER Wyższa Szkła Inżynierska, Ope Przedstawin hiptezy i mdee stabinści frntu krystaizacji. Dknan wstępnej anaizy wpływu nieustaneg pa temperatury w dewie i segregacji składników stpwych raz przechłdzenia stężeniweg na stabinść frntu krystaizacji w dewniczych stpach cynku. Wyknan badania tabinści frntu krystaizacji w dewniczych stpach cynku. Badan stabinść frntu krystaizacji stpu ZnA14 w warunkach jednczesneg i kierunkweg krzepnięcia. Opracwan mdeł matematyczny kierunkweg i jednczesneg krzepnięcia reaizwaneg na urządzeniu Bridgmana. a pdstawie teg mdeu dknan biczeń nieustałneg pa temperatury i kinetyki krzepnięcia dewu ze stpu ZnA14. Wprwadzenie Zagadnienie stabinści frntu krystaizacji był przedmitem wieu prac badawczych, w wyniku których pracwan wiee terii i hiptez. ajbardziej reprezentatywnymi wydają się być prace Chamersa, Kirgincewa, Tiłera, Ohn, Sucheg, Frasia i Głwni [ 1-8]. Prace tych autrów w anaizie zjawiska stabinści frntu krystaizacji uwzgędniają głównie takie parametry, jak: przechłdzenie stężeniwe, gradient temperatury, nieustałne pe temperatury, zmianę szybkści krystaizacji, segregację raz knwekcję w fazie ciekłej. Głwnia natmiast uważa, że na stabin ść frntu krystaizacji, prócz wymieninych parametrów, wpływają również kierunki krystałgraficzne sieci. Znane jak dtąd prace zagadnienie t rzpatrują na przykładzie stpów krystaizujących w układach kmórek reguarnych. Interesujące wydaje się być pznanie teg zjawiska da stpów krystaizujących w układach kmórek niereguarnych, np. heksagnanym.

2 204 A. Micker Stpy cynku są właśnie tymi, które krystaizują według układu heksagnaneg i dateg wyniki badań stabinści krystaizacji tych stpów mgą dać nwe infrmacje tym zjawisku. Mgą ne pnadt stanwić weryfikację dtychczaswych terii i hiptez, a także być pdstawą d ugónień, dtyczących stpów krystaizujących w układach niereguarnych. Przebieg i wyniki badań Badania stabin ści frntu krystaizacji i pracwanie mdeu matematyczneg pa temperatury przy kierunkwym i jednczesnym krzepnięciu dknan pierając się na symuacji teg prcesu na urządzeniu Bridgmana, któreg schemat idewy d biczeń przedstawin na rysunku..:10:. '...'. :Kkia Piec d nagrzew i t ieni a Pret m1edz1an y do dprawadz ciepła F)dstawa grafitwa Rys.. Schemat idewy d biczeń 1 Wda chłdzqca t- ł Oceny stabin śc i frntu krystaizacji na przykładzie stpu ZnAI4 dknan na pdstawie warunku trzymania płaskieg frntu krystaizacji G ;:::!Tk V Dk +( - k) exp (- 110 ;v) ()

3 Stabinść frntu krystaizacji gdzie: G - gradient temperatury przed frntem krystaizacji, V prędkść krystaizacji, t. T - przechłdzenie, k równwagwy współczynnik rzdziału, D - współczynnik dyfuzji, (5 - g rub ść warstwy dyfuzyjnej. Rys. 2. Makrstruktura próbneg dewu krzepnąceg na urządze niu Bridgmana kierunkw, a n astęp nie jedn cześ nie Jak wynika z pwyż szej nierównści, płaski frnt krystaizacji mżna uzyskać przez zapewnienie dużych wartści G, c znacza krzepnięcie w warunkach małej prędkści wzrstu V i wyskiej temperatury cieczy. Z biczeń wynika, że pła s ki frnt krystaizacji mżna trzy mać przy prędkści krzepnięcia (pdnszenie pieca w urządzeniu Bridgmana) V = 4 mm/h i załżeniu, że grubść warstwy dyfuzyjnej w cieczy 3 = 0,001 cm. Ptwierdzają t brazy mikrstruktury stpu ZnA4 krzepnąceg kierunkw, a następnie j e dnc ześ ni e na urząd zeniu Bridgmana (rys. 2). W badaniach mikrstruktury teg typu stpu nie zabserwwan jednak wyraźnej granicy rzdziału pmiędzy jednym a drugim rdzajem (charakterem) krystaizacji [9, O]. W badaniach s tabinści frntu krystaizacji pważnym prbemem eksperymentanym staje się pmiar temperatury na różnych wyskściach próbneg dewu. Odbywa się n za pmcą termpary, która pprzez swją ingerencję w krzepnący meta jest pewneg rdzaju zakłóceniem prcesu. Wydaje się, że pracwany mdeł matematyczny pła temperatury da krzepnięcia kierunkweg, a następnie jednczesneg w urządzeniu Bridgmana tę niedgdnść eiminuje. Załżenia teg mdeu przedstawin w pracy

4 206 A. Micker [11, 12], a na rysunku 3 zaprezentwan zmiany temperatury próbneg dewu w funkcji czasu da kejnych eementów różnicwych. 425 Tpk T kk ::: =::::: '\ 0 2\..::... - \ '. [\ _ -...; ' :J L <1>. E r ' -. -! i t f ' m Czas r, s Rys. 3. Pe temperatur próbneg dewu ze stpu ZnA14 pdczas kierunkwej, a n astępni e bjętściwej krystaizacji reaizwanej na urządzeniu Bridgrnana atmiast na rysunkach 4 i 5 przedstawin krzywe kinetyczne krystai zacji kierunkwej raz bj ę tśc i wej, a na s tępni e jednczesnej zastswanej w jednym cyku pdnszenia pieca urząd zenia Bridgmana.. Przedstawiną natmiast na rysunku 6 krzywą m ż na uważać za za eż n ść dzwierciedającą prędk ść przemieszczania się frntu krystaizacji w warunkach kierunkweg. a n as tępnie jednczesneg krzepnięcia. ajisttniejszym wniskiem wypływającym p przeprwadzeniu bic zeń numerycznych na pdstawie zaprpnwaneg w pracy [11] mdeu matematyczneg jest t, że gradient temperatury pmięd zy pszczegónymi warstwami, eementami różnicw ymi, ustaa s i ę na jednakwym pzimie (rys. 3). Przeprwadzne sprawdzające badania eksperymentane wnisek ten ptw i erd zają.

5 ( ) , , , 1 Rys. 4. Krzywa kinetyczna kierunkwej krystaizacji próbneg dewu ze stpu ZnA4 0,7 c i 0,6 - E i iii t' 0,5 8 O 'ii 'ii 0,4 BE > > 0,3 0.2 O, 0,2 --- / 0,4 0,6 0,8 'f k czas krystaizacji V. J r ck całkwity czas krystaiz rk 1,0 tek vk V 1.r--, a i '- ' 1 Q,r.... _ 1_ E' f- > et 0.7 O, 0.6 0,8 (:r, k1 ystłi7c(:j rk f r:k Rys. 5. Krzywa kinetyczna kierunkwej, a następnie hjętściwej krystaizacji próbneg dewu ze stpu ZnAI4 1.0 <:T- "' C"), '::;-> ;;: :. ;::; 1:> : -.1

6 208 A. Micker 6 1: i Kry s t O IIZOC)O k1erunkw 1:/:' III 11 Krystaizacja w tczeniu (bjętś CIO\KI) r) : U" i Eement rznicwy I= 1 III III J :r mi i i III Rwnczesna krystaizcj i III eementw rznicwych ( III I = , 1i v: i 1 i , ,1 0,2 0,3 0,1. 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Rys. 6. Prędk ść iniwa przemieszczania się frntu krystaizacji w funkcji zredukwaneg czasu krystaizacji wewka Wniski Przeprwadzne badania stabinści frntu krystaizacji da dewniczych stpów cynku, pracwany mde matematyczny i wyknane biczenia numeryczne pzwaają na sfrmułwanie następujących wnisków: - urządzenie d kierunkwej krystaizacji metdą Bridgmana nadaje się d anaizy prcesów stabin ś ci frntu krystaizacji, - w stpach cynku najisttniejszym parametrem wpływającym na pstać frntu krystaizacji, a w knsekwencji na ich strukturę, jest gradient temperatury, który jest "w zasadzie" stały, - w stpach cynku mżiwe jest zapewnienie stabinści frntu krystaizacji, a więc uzyskanie płaskieg frntu przy zapewnieniu maej szybk ś ci krystaizacji V = 4 mm/h, wyskich temperatur cieczy (.!1 T = 20 K) i grubści warstwy dyfuzyjnej w cieczy 8 = 0,001 cm, -w stpach cynku mżna uzyskać dwa rdzaje struktury, j. : dendrytyczną i ziarn różnsiwych. ie uzyskan struktury kmórkwej da tych stpów.

7 Stabinść frntu krystaizacji Literatura. B. CHALMERS: Fiziczeskje mietałłwiedienije. auka, Mskwa B. CHALMERS: Principes f Sidificatin. J. Wiey and Sns, Lndn A.. KIRGICEW: Raspriedieenije primiesi pri naprawennaj kristałizacii. auka, wsibirsk W.A. TILLER,.A. JACKSO: Acta Met , A. OHO: Sidificatin Prcessing. Mac Graw Hi, ew Yrk J. SUCHY: Sidijicatin Techngy in The Fundry and Cast Huse. Adard and feu Ltd., Bartbmew Press, Drking E. FRAŚ: Krzep. Metai 1984,7, J. GŁOWIA : Z AGH 1981, Meta. i Odew A. MICKER, M. TOKARSKI: Z WSI w Opu 1990, Mechanika A. MICKER: Z WSI w Opu Mechanika A. MICKER, J. IDZIK: Z WSI w Opu 1991, Mechanika A. MICKER: Krzep. Metai , Summary STASILITY OF CRYSTALLIZA TIO FROT I CASTIG ZIC ALLOYS The paper presents a hyptesis and mdes f słabiity f the crystaizatin frnt fr casting zinc ays. The infuence f the transient temperature fied in casting and the segregatin f the aying cmpnents and the cncentratin superfusin n the stabiity f the crystaizatin frnt in casting zinc ays has been anaysed. Crystaizatin frnt stabiity f the ZnA14 ays in cnditins f słidificatin has been examined. A mathematica mde f the słidificatins f casting under cnditins f directin and simutaneus (v1umetric) sidificatin has been wrked ut by means f Bridgman device. On the basie f this mde, cmpuatins f the transient therma fied and the kinetics f sidificatin f casting frm ay ZnA14, have been made.