OCENA PŁYNIĘCIA CIEKŁEGO STOPU AlMg10 W SPIRALNEJ PRÓBIE LEJNOŚCI

Transkrypt

1 16/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN OCENA PŁYNIĘCIA CIEKŁEGO STOPU AlMg10 W SPIRALNEJ PRÓBIE LEJNOŚCI Z. KONOPKA 1, M. CISOWSKA 2 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki pomiaru lejności stopu AlMg10 metodą zalewania próby spiralnej. Charakterystyczne parametry przepływu ciekłego metalu we wnęce formy jak: prędkość, temperaturę oraz drogę (długość zalanej spirali) w funkcji czasu i długości wyznaczono na podstawie analizy termicznej w czasie płynięcia. Zastosowano system komputerowy umożliwiający rejestrację temperatury z częstotliwością próbkowania 100 khz. Wyznaczono funkcję prędkości metalu i temperatury w czasie płynięcia co umożliwia ocenę zjawisk lepkościowych i powierzchniowych podczas wypełniania formy odlewniczej i krystalizacji stopu. Key words: castability, aluminium alloy, thermal analysis 1. WSTĘP Właściwości odlewnicze stopu wywierają istotny wpływ na wypełnianie formy odlewniczej oraz kształtują strukturę i własności odlewu. Do jednych z ważniejszych tych cech należy bez wątpienia lejność, rozumiana nie tylko jako długość drogi jaką pokonał metal od momentu zalania do całkowitego zakrzepnięcia, lecz jako zespół cech charakteryzujących przepływ ciekłego metalu we wnęce formy tj.: prędkość przepływu czy zmiany temperatury krzepnącego metalu [1-5]. Znajomość zmian temperatur, czy prędkości wypełniania przez ciekły metal wnęki formy umożliwia w późniejszym etapie modelowanie procesu zalewania wnęki formy [6]. Co raz częściej autorzy sięgają do metod numerycznych w celu przeprowadzenia symulacji komputerowych wypełniania 1 dr hab. inż. Prof. P. Cz., konopka@mim.pcz.czest.pl 2 mgr inż., cis@mim.pcz.czest.pl

2 136 wnęki formy [7] opierając się na danych eksperymentalnych, aby symulacja przedstawiała warunki zbliżone do rzeczywistych. 2. METODYKA BADAŃ Pomiarów lejności stopu AlMg10 dokonano za pomocą próby spiralnej. Do badań przygotowano stanowisko, które umożliwiło wykonanie pomiaru rozkładu temperatur w kanale formy odlewniczej. Ciekły stop o temperaturze 973 K odlewano grawitacyjnie do uprzednio przygotowanej formy. Próbę spiralną wykonano przy użyciu masy formierskiej o nazwie handlowej O.B.B. SAND E. Masa ta jest naturalnym piaskiem formierskim o najdrobniejszej frakcji związanym olejem. Nadaje się bezpośrednio do formowania i ze względu na jej spoiwo nie wysycha. Wysoka wytrzymałość na wilgotno zapewnia odlewom bardzo dobrą dokładność wymiarową. W formie zamontowane zostały termoelementy Ni-CrNi w odległościach co 100 mm w miejscach, które są znacznikami długości w klasycznej próbie spiralnej. Rejestracji pomiaru rozkładu temperatur w funkcji czasu w kanale formy wypełnionej ciekłym stopem wykonano za pomocą komputerowej laboratoryjnej karty pomiarowej PCL 818 (maksymalna częstość próbkowania 100kHz, 16 kanałów unipolarnych, minimalny napięciowy zakres wejścia +/- 0.5V, maksymalny +/- 10V, typowy czas konwersji 8 mikrosekund) przez system przetworników. W celu dopasowania napięcia termopar Ni CrNi do wejścia zastosowano przetworniki typu PCLM-5B40-03 napięciowy zakres wejścia +/-100mV pasmo przenoszenia do 2,6 khz [8,9]. Wykonywano równolegle trzy pomiary, z których uzyskano krzywe przedstawiające zmiany temperatur w poszczególnych miejscach na długości wnęki formy w czasie. Z krzywych tych wyznaczono funkcję długości zalanego kanału w czasie, chwilowe prędkości przepływu jak i pole temperatur we wnęce formy. Stanowisko to stworzone zostało również do badań przebiegu przepływu ciekłych suspensji kompozytowych. Wstępne wyniki badań lejności kompozytów metalowych na osnowie stopu AlMg10 z cząstkami ceramicznymi przedstawiono we wcześniejszych publikacjach [10,11]. 3. WYNIKI BADAŃ I ANALIZA Zastosowana metoda badawcza pozwoliła uzyskać krzywe ilustrujące zmiany temperatury w poszczególnych miejscach wnęki formy. Krzywe te przedstawiają przebieg stygnięcia i krzepnięcia stopu w czasie płynięcia w odległości od wlewu, co umożliwiło ocenę parametrów przepływu. Na rysunku 1 przedstawiono początkowy fragment pola temperatury na którym przedstawione są impulsy temperatur pochodzące od każdej z kolejnych dwunastu termopar. Krzywe te pozwoliły na określenie drogi przepływu (L) w funkcji czasu (t) w jakim ten przepływ nastąpił oraz rzeczywistych prędkości chwilowych płynącego metalu we wnęce formy jako pochodną drogi przepływu po czasie. Zależności te są przedstawione na rysunku 2. Możliwe również było wyznaczenie zależności prędkości oraz temperatury w funkcji drogi co przedstawia rysunek 3.

3 137 Temperatura [ C] o Czas [s] Rys.1. Krzywe temperatury w czasie dla stopu AlMg10 zarejestrowane podczas badania lejności Fig.1. Temperature curves of AlMg10 alloy registred during spiral test Funkcja prędkości płynięcia metalu w kanale formy ma charakterystyczny przebieg, w którym można wyróżnić trzy fazy. W fazie pierwszej występuje niestacjonarny przepływ, w którym prędkość od wartości 0 osiąga maksimum 1,26 m/s i następnie gwałtownie spada. Ten niestacjonarny przepływ można tłumaczyć zjawiskiem wpływania metalu do kanału wnęki formy i jednoczesnego podnoszenia się metalu we wlewie głównym. Zjawisko to powoduje zaburzenie przepływu, które przenosi się całą długość obszaru płynięcia. W drugiej fazie odpowiadającej zasadniczemu wypełnianiu prędkość ustala się i można przyjąć, że metal płynie ze stałą prędkością. W fazie trzeciej odpowiadającej końcowi zalewania i krystalizacji metalu prędkość jest nieustalona i gwałtownie spada. Takie gwałtowne zakończenie przepływu jest charakterystyczne dla niektórych stopów. Związane jest to z pojawieniem się w strudze tzw. koncentracji krytycznej fazy stałej [12].

4 138 V=f(t) L=f(t) Droga [m] Prędkość [m/s] Czas [s] Rys.2. Zmiana długości spirali i prędkości płynięcia Fig.2. Flow velocity and length of spiral Na podstawie oceny pola prędkości i temperatury (rysunek 3) można stwierdzić, że stacjonarny przepływ metalu odpowiada pojawieniu się fazy stałej (początkowy okres krystalizacji). Charakterystyczny niestacjonarny przepływ i zaburzenie wywołane zmiennym ciśnieniem w układzie wlewowym zostają wytłumione obecnością kryształów fazy stałej i prawdopodobnie wyraźnym wzrostem tarcia wewnętrznego cieczy (wzrost lepkości). Przebieg krzywej T=f(L) potwierdza silne przechłodzenie czoła strugi metalu sięgające ok. 30 K co wynika z wysokiej szybkości chłodzenia.

5 Temperatura [ C] o T=f(L) V=f(L) TL Prędkość [m/s] Droga [m] Rys.3. Funkcje temperatury i prędkości płynięcia Fig.3. Temperature and flow velocity function Zastosowanie laboratoryjnej karty pomiarowej PCL 818 umożliwiło bardzo precyzyjny pomiar różnorodnych parametrów płynięcia jak prędkość, temperatura, droga w funkcji czasu i pozwoliło na interpretację tych parametrów. LITERATURA [1] J. Mutwil: Podstawowe typy przepływu metali w formach odlewniczych na przykładzie stopów aluminium. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 1998, vol.18, s [2] J. Mutwil: Flow of AlCu4% alloy in a mould channel. Communications on the edge of the millenniums. Żilina, 1998, s [3] J. Mutwil: Nowa metoda badań mechanizmu krzepnięcia metali i stopów w okresie przepływu. Krzepnięcie Metali i Stopów, 1998, nr 37, s [4] J. Mutwil, M. Żygadło, R. Janowski, D. Niedźwiecki: Nowe stanowisko do badań lejności. Krzepnięcie Metali i Stopów, 2000, Rocznik 2, nr 44, s [5] J. Mutwil, A. Bydałek, D. Niedźwiedzki: Stan obecny i perspektywy rozwoju badań nad lejnością metali i stopów. Krzepnięcie Metali i Stopów, 1998, nr 37, s

6 140 [6] J. Mutwil, R. Janowski: Cechy przepływu siluminów jednofazowych w kanałach metalowych form odlewniczych. Krzepnięcie Metali i Stopów, 2001, Rocznik 1, nr 1, s [7] A. Bokota, L. Sowa: Zastosowanie metody elementów skończonych do modelowania próby lejności. Krzepnięcie Metali i Stopów, 2001, Rocznik 1, nr 1, s [8] R. Sosiński: Uniwersalne stanowiska diagnostyki i monitorowania urządzeń elektrotechnologicznych z użyciem komputerowych kart laboratoryjnych. Pomiary Automatyka Kontrola, 1998, s [9] R. Sosiński: Zagadnienia komputerowej analizy monitorowanych parametrów urządzeń i procesów elektrotechnologicznych. Materiały III Konferencji Naukowo-Technicznej Metody i Systemy Komputerowe w Automatyce i Elektrotechnice, 1999, s [10] Konopka Z., Cisowska M., Zyska A.: Związek pomiędzy napięciem powierzchniowym i lejnością. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol.21, nr spec.2001, s. [11] Konopka Z., Cisowska M., Zyska A.: Lejność kompozytów AlMg10 C gr, II Międzynarodowa sesja naukowa, seria: Metalurgia, nr 19, Częstochowa 2001, [12] J. Mutwil: Ocena zjawisk fizyko-chemicznych zachodzących podczas wypełniania metalem formy odlewniczej. Monografie nr 63, Zielona Góra, SUMMARY FLOW ESTIMATION OF AlMg10 LIQUID ALLOY IN SPIRAL CASTABILITY TEST The results of castability measurement of AlMg10 alloy carried out by spiral method were presented. The characteristic parameters of liquid metal flow in mould cavity as: Velocity, temperature and distance (length of cast spiral) were calculated by means of thermal analysis. Computer system with frequency of sampling 100 khz was used in measurements and registration of temperature. Flow velocity and temperature of metal as well as viscosity and surface phenomena in metal during flow. Recenzował Prof. Stanisław Jura