KRZYWE PŁYNIĘCIA CIEKŁEGO ŻELIWA

Transkrypt

1 3/37 Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998 PAN Katowice PL ISSN KRZYWE PŁYNIĘCIA CIEKŁEGO ŻELIWA BOROWIECKI Bogusław Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Szczecińska Szczecin, ul. Aleja Piastów 19, POLAND STRESZCZENIE Przeprowadzono badania wypełniania ciekłym żeliwem pionowych kanałów o różnych przekrojach, przy zachowaniu stałego ciśnienia metalostatycznego i stałych warunkach termofizycznych materiału formy. Sporządzono wykresy zależności długości powstałych prętów w funkcji ich średnic. Dokonano analizy matematycznej powstałych krzywych płynięcia. Ustalono, że otrzymane krzywe płynięcia żeliwa zależą od stopniu przegrzania zalewanego metalu. 1. WPROWADZENIE Jakość odlewów w znacznym stopniu zależy od właściwości stopów w stanie ciekłym, w tym również od właściwości reologicznych. Niska lepkość stopów żelaza zmniejsza porowatość skurczową odlewów, ułatwia wypływanie pęcherzyków gazowych i wtrąceń niemetalicznych oraz ogranicza powstawanie wad, takich jak: bąble, pęcherze gazowe, jamy skurczowe, wtrącenia żużla, fałdy itp.[5]. Rozwój metod numerycznych w zakresie symulacji komputerowych procesów wypełniania formy ciekłym metalem wymaga kontynuowania badań nad oznaczaniem właściwości reologicznych ciekłych stopów, które pozwoliłyby na zwiększenie dokładności symulowanych procesów i rozszerzanie ich zastosowania. Reologia fenomenologiczna traktuje badane ciało jako ośrodek ciągły (continuum), który można scharakteryzować za pomocą doświadczalnie określonych parametrów reologicznych, nie wnikając w rzeczywistą cząsteczkową budowę ciała. Każda ciecz ma wszystkie możliwe właściwości reologiczne i ujawnia je tylko w różnym stopniu zależnie od warunków fizycznych. [3] W kanałach form piaskowych, w warunkach wysokich temperatur, tworzenie się warstwy przyściennej, zjawiska wymiany ciepła oraz reakcje chemiczne zachodzące na granicy metalforma oddziałują na proces przepływu metalu [2]. Przepływem określa się odkształcenie nieodwracalne, którego stopień pod działaniem sił o ograniczonej wartości wzrasta z upływem czasu. Energia zużyta na wymuszenie przepływu ulega dysypacji. Odkształcenie może spowodować zmianę objętości ciała lub zmianę jego kształtu.

2 26 Określenie właściwości reologicznych cieczy wymaga wyznaczenia krzywej płynięcia tej cieczy. Krzywą płynięcia określa się wykres reologiczny cieczy sporządzony w układzie współrzędnych: naprężenia styczne jako funkcja prędkości ścinania, rysunek nr 1 [3]. Rys. 1. Krzywe płynięcia cieczy; 1 ciało binghamowskie, 2 ciecze pseudoplastyczne, 3 ciecze newtonowskie, 4 ciecze zagęszczane ścinaniem; y granica płynięcia ciała binghamowskiego, [3] Fig 1. The flow curves of liquid: 1 Bingham plastic, 2 pseudoplastic liquid, 3 Newtonian fluid, 4 shering condensed liquid; y flow limit Bingham plastic, [3] Wymaga się aby krzywa płynięcia była wyznaczana w możliwie szerokim zakresie szybkości ścinania, w tym także w zakresie niskich szybkości ścinania [3]. Dla cieczy newtonowskiej występuje prosta proporcjonalność między naprężeniem stycznym a prędkością ścinania. Parametry reologiczne cieczy charakteryzują ich zachowanie się w czasie przepływu i tylko w warunkach przepływu mogą być zmierzone. Pomiary muszą obejmować zakres szybkości ścinania występujących w zagadnieniach praktycznych, które są celem przeprowadzanych badań. Metoda pomiaru parametrów reologicznych cieczy nienewtonowskich musi umożliwić wyznaczenie wielu punktów krzywej płynięcia. Dla substancji pozostających w stanie ciekłym w warunkach normalnych, istnieje wiele metod oznaczania parametrów reologicznych i wyznaczania krzywej płynięcia [3,4]. Dla ciekłych metali, wyznaczanie parametrów reologicznych i krzywej płynięcia, wymaga stosowania metod, które uwzględniają wysokie temperatury ciekłych stopów metali i zjawisko krzepnięcia. Taką możliwość upatruje się w próbie prętowej lejności [1]. Uwzględniając zjawiska występujące podczas wypełniania ciekłym żeliwem pionowych kanałów formy w próbie prętowej, oraz przebieg krzywych wyznaczanych przez wysokości powstałych prętów w funkcji ich średnicy przyjęto hipotezę, że krzywe te charakteryzują zdolność żeliwa do płynięcia w kanałach formy odlewniczej, a miarą określającą właściwości reologiczne ciekłego metalu zalewanego w określonej temperaturze będą współczynniki wyznaczone w równaniach regresji opisujących krzywe płynięcia.

3 27 2. PRZEDMIOT I METODY BADAŃ Próba prętowa lejności (nazywana harfą Czikela ) polega na wypełnianiu ciekłym metalem systemu kanałów pionowych o różnych średnicach i rozmieszczonych w jednakowej odległości od wlewu głównego połączonych ze wspólną poziomą wnęką o stałej grubości w kształcie koła, w sposób przedstawiony na rysunku 2 [1]. Badania przeprowadzono w odlewni żeliwa, w której metal wytapiano w żeliwiakach. Skład chemiczny żeliwa oznaczano za pomocą crystaldigrafu i obliczano współczynnik nasycenia eutektycznego. Formy doświadczalne wykonywano z mas bentonitowych. Z każdej kadzi odlewano po trzy próby w odstępach czasu umożliwiających uzyskanie wymaganych temperatur przegrzania: 150 K, 90 K i temperatury bliskiej likwidusu. W artykule przedstawiono wyniki badań z żeliwem szarym o współczynniku nasycenia eutektycznego Sc = 0,94. Rys. 2. Próba prętowa lejności [1] Fig. 2. The test of bar fluidity [1] 3. WYNIKI BADAŃ Lejność jest parametrem określającym odległość, na jaką może dopłynąć metal w kanale formy, zanim postępujący proces krzepnięcia zatrzyma przepływ. Metal płynący przez kanały o różnych średnicach wskutek różnicy temperatur między zimną formą a gorącą strugą ulega przechłodzeniu. Gdy temperatura stopu osiąga wartość likwidusu w cieczy pojawiają się zarodki, które po przekroczeniu wartości krytycznej są zdolne do rozrostu w kryształy. Wzrasta lepkość płynącej cieczy i grubość warstwy przyściennej. Grubość warstwy przyściennej narasta w miarę wzrostu długości kanału a przez to zmniejsza się czynny jego przekrój. Największą prędkość struga posiada w osi kanału. Naprężenia styczne na granicy zetknięcia się strugi z warstwa przyścienną metalu hamują przepływ [2]. Odlew powstały w formie ceramicznej pozwala na oznaczenie wysokości zalanych kanałów w funkcji ich średnicy i ciśnienia metalostatycznego w zbiorniku wlewowym i wlewie głównym, rys. 3.

4 wysokość pręta średnica pręta 1 krzywa płynięcia żeliwa przegrzanego o 150 K, 2 krzywa płynięcia żeliwa przegrzanego o 90 K, 3 krzywa płynięcia żeliwa o temperaturze bliskiej likwidusu Rys. 3. Zależność wysokości zalanych prętów od ich średnicy: l wysokość, φ średnica Fig. 3. The graph dependence of round irons heightes from their diameters: l height, φ diameter Z wykresu, rys. 3, wynika że między wysokością zalanych prętów a ich średnicą, dla żeliwa szarego przegrzanego o 150 K, zachodzi zależność liniowa, opisana równaniem regresji liniowej: y= 23,4 x Współczynnik korelacji r = 0,976. Zależność otrzymana dla żeliwa wysoko przegrzanego odpowiada charakterystyce uzyskiwanej dla cieczy newtonowskich. Dla żeliwa przegrzanego średnio o 90 K krzywa płynięcia daje się opisać równaniem regresji III stopnia: y = 0,87 x ,23 x 2 122,1 x + 252,5

5 29 Z rozkładu wysokości prętów w funkcji ich średnicy wynika, że żeliwo przegrzane w niedużym stopniu (o 90 K), zachowuje się jak ciecz nienewtonowska, w której można wyróżnić zakresy charakterystyczne: przy dużych szybkościach ścinania, co odpowiada wypełnianiu kanałów o najmniejszych przekrojach poprzecznych i proporcjonalnie dużej prędkości strugi, ciekłe żeliwo zachowuje się jak ciecz rozrzedzana ścinaniem; przy małych szybkościach ścinania, co odpowiada wypełnianiu kanałów o większych średnicach malejącej prędkości, ciekłe żeliwo nosi cechy cieczy zagęszczanej ścinaniem; przy pewnej granicznej szybkości ścinania (co odpowiada średnicom o wartościach pośrednich) przy pozornie niskiej lepkości metalu, wzrastających przekrojach poprzecznych i stosunkowo dużej prędkości przepływu mogą występować zmiany charakteru ruchu z laminarnego na burzliwy; lepkość pozorna ciekłego żeliwa maleje ze wzrostem szybkości ścinania. Zjawiska te mają ścisły związek z grubością warstwy przyściennej, która nie zależy od średnicy kanału lecz od lepkości metalu i właściwości termofizycznych materiału formy. Zjawisko turbulencji powoduje odchylenia krzywej płynięcia w kierunku ku górze. Przy dużych szybkościach ścinania cieczy o wysokiej lepkości, i gdy może wystąpić dysypacja energii, krzywa płynięcia ulega odchyleniu w kierunku ku dołowi. W tym samym kierunku odchylenie może powodować efektywny poślizg cieczy w kanale, gdzie przy ściankach kanału występowało dławienie. Dla żeliwa o temperaturze oscylującej w granicach likwidusu krzywa płynięcia daje się opisać równaniem regresji kwadratowej: y = 1,1 x 2 Współczynnik korelacji r = 0,984. Krzywe przedstawione na wykresie, rys. 3, można porównać z przebiegiem krzywych na rysunku 1. Uwzględniając współrzędne na wykresach, rys. 1 i rys. 3, oraz ich podobny przebieg, można stwierdzić, że wyniki badań potwierdzają słuszność przyjętej hipotezy Przedstawione charakterystyki reologiczne cieczy wykorzystywane są do interpretacji właściwości metali, które ochładzają się w stanie ciekłym, jak również służą do wyboru odpowiedniego modelu fizycznego. Ciekłe stopy metali, powyżej temperatury likwidusu, można rozpatrywać jako ciecze jednorodne [4]. Ciekłe metale, których temperatura zalewania jest wyższa od temperatury krystalizacji, nie wykazują różnic w porównaniu w porównaniu z zachowaniem się strugi cieczy rzeczywistych niemetalicznych. Na tej podstawie ustalono, że model cieczy newtonowskiej można przenieść na przegrzany ciekły metal. Przy przepływach pod- i nadeutektycznych ciekłych stopów metali o temperaturach oscylujących w granicach temperatur likwidusu w strudze metalu znajdują się wydzielone kryształy [5]. Ten stan ciekłego metalu odpowiada modelowi cieczy nienewtonowskiej, której lepkość zmienia się w zależności od kształtu i liczby kryształów. Przy dalszym stygnięciu ciekłego metalu, w przedziale temperatur między likwidusem a solidusem, tworzy się ciastowata masa, która podczas przepływu daje się porównać z cieczami binghamowskimi. Przykładem stosowania stopów metali, zachowujących się w formie jak ciało binghamowskie, jest odlewanie ciśnieniowe [5].

6 30 4. WNIOSKI Wysokość prętów żeliwnych, powstałych w próbie prętowej lejności, naniesiona na wykres w funkcji ich średnicy wyznacza krzywe, które dają się porównać z krzywymi płynięcia substancji pozostających w stanie ciekłym w warunkach normalnych. Próba prętowa lejności pozwala wykreślić krzywe płynięcia dla żeliwa o różnym stopniu przegrzania: dla żeliwa o temperaturze przewyższającej o 150 K linię likwidusu krzywa płynięcia jest funkcją liniową, odpowiada to krzywej płynięcia cieczy newtonowskiej i przechodzi przez początek układu współrzędnych; dla żeliwa o temperaturze przewyższającej o około 90 K linię likwidusu przebieg krzywej płynięcia wyznacza krzywą trzeciego stopnia; dla żeliwa o temperaturze bliskiej likwidusu przebieg krzywej płynięcia odpowiada prze- krzywej biegowi wykładniczej. LITERATURA [1] Anspach H.: Flissproben und ihre Auswertung Giessereitechnik, Jahrgang, Heft 8/1963 [2] Borowiecki B.: Współczynnik odkształcenia warstwy przyściennej w próbach lejności. Archiwum technologii maszyn i automatyzacji. Z. 12, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 1993, s [3] Kembłowski Z.: Reometria płynów nienewtonowskich. WNT, Warszawa [4] Wilkinson W., L.: Ciecze nienewtonowskie. WNT, Warszawa [5] Wlodawer R.: Die gelenkte Erstarrung von Stahlguss. Giesserei Verlag, Dusseldorf, THE FLOW CURVES OF THE GREY CAST IRON ABSTRACT The test s results of filling the gaps of the perpendiculare channels of various diameters, made in sand mould with the liquid grey cast iron have been presented in the paper. There has been ploted a graph presenting dependence of round iron s heightes from their diameters. It has been proved that, the flow curves of grey cast iron are flooding temperature- dependent.