OKREŚLENIE WARUNKÓW SKUTECZNEGOSTOSOWANIA POLA MAGNETYCZNEGO W PROCESACHWYKONYWANIA ODLEWÓW

Transkrypt

1 12/41 Soidification of Metais and Aoys, Year 1999, Voume, Book No. 41 Krzepnięcie Metai i Stopów, Rok 1999, Rocznik, Nr 41 PAN- Katowice PL ISSN OKREŚLENIE WARUNKÓW SKUTECZNEGOSTOSOWANIA POLA MAGNETYCZNEGO W PROCESACHWYKONYWANIA ODLEWÓW JAN SZAJNAR, JÓZEF GA WROŃSK! Katedra Odewnictwa, Poitechnika Śąska Giwice, u. Towarowa 7. Wprowadzenie Odewanie w pou magnetycznym to wykonywanie odewów, które krzepną przy wymuszonym ruchu ciekłego metau. Charakter ruchu wytworzonego w ciekłym metau, opisany przez poe prędkości, wiekość i rozkład sił eektrodynamicznych, rozkład ciśnienia, itp., zaeżny jest od sposobów i środków generujących go w krzepnącym metau. Istnieje szereg sposobów generowania wymuszonego ruchu ciekłej fazy w kasycznej formie odewniczej ub krystaizatorze do c iągłego odewania. Stosuje się wiee rozwiązań technicznych, które wykorzystują najczęściej dwa podstawowe sposoby: kondukcyjny, wykorzystujący oddziaływanie zewnętrznego poa magnetycznego i przepływu prądu przez ciekły meta, indukcyjny, wykorzystujący tyko zmienne zewnętrzne poe magnetyczne. Stosunkowo łatwe w praktycznym zastosowaniu, z uwagi na brak bezpośredniego kontaktu urządzenia wytwarzającego poe z ciekłym metaem i s tąd najczęściej stosowane, są tzw. sposoby indukcyjnego mieszania. Metody indukcyjnego mieszania oparte są na oddziaływaniu : poa eektromagnetycznego wytworzonego przez wiejozwojową cewkę, wędrującego poa magnetycznego, wirującego poa magnetycznego, wirującego rewersyjnego poa magnetycznego. W pubikacjach okreśa się, że oddziaływanie sił poa magnetycznego na ciekły meta w czasie krystaizacji wywołuje w nim intensywny proces mieszania i właśnie proces mieszania jest przyczyną najczęściej pozytywnych zmian w strukturze odewu [ 1-7]. Te pozytywne zmiany to przede wszystkim zmniejszenie ub ikwidacja strefy kryształów koumnowych, a także : rozdrobnienie kryształów równoosiowych, zmniejszenie segregacji, usunięcie porowatości osiowej i inne.

2 91 Zawarte w iteratwze dotychczasowe wyniki badań nad okreśeniem wpływu ruchu ciekłego metau na jakość struktury odewu opierają się na anaizie trzech zasadniczych zjawisk, a mianowicie: zjawisk ciepnych, zmieniających poe temperatury w krzepnącym odewie, zjawisk związanych z dynamicznym pobudzeniem tworzenia zarodków krystaizacji, zjawisk mechanicznych, kształtujących odmiennie niż tradycyjnie front krzepnięcia i rosnące kryształy. Dotychczasowe wyniki badań autora i dane iteraturowe tworzą podstawy do stwierdzenia, że zmienne poe magnetyczne oddziaływuje na proces krystaizacji powodując : przenoszenie przez ruch konwekcyjny kryształów zamrożonych do środkowej części odewu, odrywanie się kryształów od ścianki fonny pod wpływem konwekcji ciekego metau, fragmentacja ("rozmnażanie") kryształów przez koaguację oraz nadtapianie pod wpływem fuktuacji temperatury, a także odłączanie mechaniczne wywołane ruchem cieczy (odrywanie, łamanie), zarodkowanie metau w zewnętrznej, przechłodzonej warstwie cieczy, stykającej się z frontem krystaizacji kryształów koumnowych. Można również przyjąć hipotezę zbiżoną do teorii tworzenia się kryształów zamrożonych B. Chamersa [8] i teorii kryształów równoosiowych A Ohno [9], że wymuszony ruch cieczy wzgędem ścianki fonny (również frontu krystaizacji) powoduje odrywanie wzrastających ziaren, a w tych miejscach powstają nowe zarodki i kryształy, ecz z cieczy bardziej przechłodzonej, zatem w większej iości i o mniejszych wymiarach. Oderwane kryształy przenoszone są przez będący w ruchu ciekły meta do środkowej części odewu, gdzie mogą stać się nowymi ośrodkami krystaizacji, a w szczegóności w przechłodzonej warstwie fazy ciekej przyegającej do frontu krystaizacji. Wymienione mechanizmy zachodzą również w wyniku naturanych zjawisk przebiegających w czasie krzepnięcia odewu i wywoływanych między innymi różnicami temperatury i gęstości ciekego metau, różnym sposobem napełniania wnęki formy itp. Powyższe mechanizmy znacznie się intensyfikują w wyniku wymuszonego (np. przez poe magnetyczne) ruchu ciekej fazy. Jak już wcześniej wspomniano, skutkiem oddziaływania wymuszonej przez poe magnetyczne konwekcji jest najczęściej zmniejszenie strefy kryształów koumnowych i rozdrobnienie kryształów równoosiowych. 2. Warunki efektywnego stosowania poa magnetycznego przy krzepn ięciu odewów Na te powyższych wyników nieco inaczej przedstawiają się rezutaty szczegółowych badań wykonanych w Katedrze Odewnictwa Foitechniki Śąskiej, dotyczących efektów oddziaływania poa magnetycznego na krzepnący odew. Mianowicie stwierdzono, że zmienne poe magnetyczne nie w każdym przypadku powoduje zmniejszenie strefy kryształów koumnowych w odewie. Skutki działania poła

3 92 magnetycznego uzaeżnione są w pierwszej koejności od czystości metau. Stwierdzono bowiem, że przy tzw. technicznie bardzo czystych metaach (A99,99; Zn99,99) oddziaływanie poa (wymuszonej konwekcji) nie zmienia struktury odewu (rys. a). Oznacza to, 7.e mimo iż uegają zmianie warunki oddawania ciepła w odewie w wyniku wymuszonego ruchu ciekego metau, to nie jest to warunek wystarczający do uzyskania zmian w procesie krystaiz.acji. Zatem na pewnym etapie badań postawiono tezę, że warunkiem koniecznym i wystarczającym do uzyskania zmniejszenia szerokości strefy kryształów koumnowych w odewach krzepnących przy wymuszonej konwekcji jest zawartość w czystym metau ub stopie zanieczyszczeń ub dodatku stopowego powyżej minimanej iości. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że np. da Zn99,99 dodatek A w iości ju ż 0,05% powoduje widoczne skutki wpływu poa magnetycznego na struktun; wewków (rys. Ie). Podobne wyniki uzyskano da auminium i innych metai. Badania warunków tworzenia się strefy kryształów kournnowych przeprowadzono da wewków o wymiarach 45 x 180 nun odewanych z różnych metai i stopów do kokii grafitowej [ 0-16]. Zestawienie wyników badait przedstawiono na rys. 2. Rys.. Makrostruktura wewków odanych pod d z iałaniem wirującego poa magnetycznego: a) Zn99,99; b) A99,7; c) Zn.AIO,OS Fig.. Macrostructure of casts soidiftcation \\th rotating magnetic fied W sumie uzyskano wyniki trojakiego rodzaju. Okreśają one skutki oddziaływania poa magnetycznego sprowadzone tyko do anaizy szerokości strefy kryształów. kournnowych (10-16]: - a - przypadek - przy stężeniu składnika stopowego ub zanieczyszczeń w czystym metau poniżej pewnej minimanej wartości (Co < C.mn) zmian w strukturze odewu nie rejestmje się (rys. 2),

4 93...ti o I.w ;g!;.5' '2 1;1 o -e o,s L Krzepnięcie warnwowe (kierunkowe)...,, ZnA 0,2 t Kra!)nięcie ,: i C j objścorc \--- \ GJ i: AJ Zn 99,99 Ni«iufy front ""!'" Pud, ciy, ł komórkowy (dendrytyczny) front kryńaiucji A 99,7 Cu 99,9 ZoAI 0,0:5 a.. b Płuki, cij!łły fi"oit krystaizacji krytaiucji o o p c... c.,... &-.r: ;>... :;ł o s c "' ].6 ' Ci s ;: t;; e 2 u :>( u ;: <) ;;....s:: u 23 STĘŻENIE Rys 2. Zmiana szerokości strc(y kryszta łó w kounmov.ych i kierunku wzrostu kryształów w tej strefie w za eżno ści od io śc i dodatk.'u stopowego przy krzepnięciu odewu pod wpływem v.ymuszoncj konwekcji F i g. 2. The width o f co unmar crystas zon e tmd direction o f crystas growth as function o f aoy addition in casting soidified in forced convection - b - przypadek - przy stęże niu składnika stopowego ub zanieczyszcze ń w metau nowvże j pewnej minimanej wa rtości (Co > Cmm) notuje s ię zmniejszenie szerokości strefy kryształów koumnowych z równoczesnym zwiększeniem wiekości strefy krysztaów równoosiowych, - c - przypadek - przy stęże niu składnika stopowego ub zanieczyszczeń w metau jak wyżej (Co> C,";") notuje się skutek odwrotny do drugiego czyi zwiększenie s zerokości strefy kryształów koumnowych z równoczesnym zmniejszeniem wiekości strefy krys ztałów równoosiowych. Zestawiając te wyniki widzimy, że oddz iaływanie wymuszonej konwekcji na proces krzepnięcia, a w szczegóności krystaizacji i w konsekwencji na j akość struktury nic jest tak jednowaczne jak twierdzono dotychczas.

5 94 W wieu pracach stwierdza się, żę odewy wykonywane pod wpływem poa magnetycznego krzepną woniej i stąd mniejsza jest w nich strefa krysztajów koumnowych [4,6,17]. Zatem można by przyjąć, że skoro odewy wykonywane pod wpływem poa magnetycznego krzepną woniej to każdardzawo można uzyskać w każdym stopie ub metau zmniejszenie strefy kryształów kow1mowych. Okazuje się jednak, że jest to pogąd będny, gdyż nie tłumaczy on warunków powstawania strefy kryształów koumnowych da przypadku trzeciego, gdzie mimo woniejszego przyrostu warstwy zakrzepłej w odewach wykonywanych w pou szerokość tej strefy jest wi ę ksza. Na podstawie badań wasnych stwierdzono. że o szerokości strefy kryształów koumnowych decyduje nie tyko prędkość krystaizacji ae również, czy przede wszystkim, trwałość frontu krystaizacji podczas procesu krzepnięcia [ 17, 18]. Na trwałość frontu krystaizacji, okreśaną zarówno kryterium stężeniowym jak i dynamicznym. wpływ ają dwa podstawowe parametry: - warunki wzrostu utożsamiane z warunkami tennicznyrni i kinetyczny1ni krzepnięcia odewu, gradientem temperatury na froncie kiystaizacji G i prędkością krystaizacji V. -warunki materiaowe-parametr materiaowy, w któi)1n istotną roę odgrywa stężenie C 0. W przypadku kasycznego odewania do form, bez oddziaływania poa magnetycznego na ciekły meta, na transfonnacj ę struktury koumnowej w równoosiową wpywają czynniki gradientowo-kinetyczne i metriaowe. W tych warunkach mo:.emy wpływać na strukturt odewu, przy danym stopie, tyko szybkością chodzcnia poprzez materia fonny. Stosując poe magnetyczne (wymuszony mch ciekego metau) w procesie odewania mamy również dodatkową możiwość v.'piywan.ia na warunki oddawania ciepa z odewu (głównie gradient temperatury G) czyi mo żemy wpywać na czynniki gradientowokinetyczne oraz także na parametr materiamvych (prawa strona nierówności) k)'terium trwałości frontu krystaizacji (gównie wspóczynnik rozdziału faz k) [17, 18) G m C k o -,g V D k gdzie: G -gradient temperatury, V -prędkość krystaizacji, m -współczynnik kierunkowy inii ikwidus, ko -współczynnik ro zdziału faz. D - współczynnik dyfuzji, Co - stężenie początkowe. Stosując wymienione -wyżej kryterium trwałości frontu krystaizacji możemy kontroować warunki wzrostu krys z t a łów podczas krystaizacji kierunkowej. Natomiast stosując to kryterium w odewaniu tradycyjnym i pod wpł y wem poa magnetycznego możemy przewidywać miejsce utraty trwajości frontu krystaizacji a tym samym okreśać, z pewnym przy bi żeniem, sz erokość strefy kryształów koumnowych w odewie i czas tworzenia się tej strefy.

6 95 3. Podsumowanic. Efektywne stosowanie zmiennego poa magnetycznego możiwe jest w metaach ub stopach, w których zawartość zanieczyszczeń ub dodatku stopowego jest powyżej pewnej minimanej iości. 2. O zmianach w strukturze, w tym głównie o szerokości strefy kryształów koumnowych w odewach w wykonywanych w pou magnetycznym decyduje nie prędkość krystaizacji a stabiność procesu i czas tworzenia się tej strefy. 3. Skutki oddziaływania poa magnetycznego anaizować i prognozować można stosując kryteria trwałości frontu krystaizacji. 4. Zmieniając warunki oddziaływania poa magnetycznego (indukcję, czas oddziaływania) zmieniamy w krzepnącym odewie czynniki gradientowokinetyczne (gradient temperatury, prędkość przemieszczania się frontu krystaizacji) a także materiałowe (współczynnik rozdziału k), tym samym możemy w pewnym zakresie tworzyć przesłanki do zmiany struktury odewu. Literatura (i Fredriksson H. The Scandinavian Jouma ofmetaurgy 15, no. 3,!986, p [21 Ki-Bae K. i in., Effects of uid fow on the soue redistribution of high purity auminum ingot. Proc. 62nd Word Foundry Congress. Phiadephia p Paradies C. Giksman M.. Dcndrite fragmentation by forced ow over mushy zone. Proc. Confcr. 121!'MS Annua Mecting. San Diego, p [41 Gawror\ski J.. Szajnar J. Krzepnięcie Metai i Stopów, 1987, nr 13, s [5J Sakwa W., CJawroński J., SzajnarL Gicssereiforschung. 1987, nr2, s [6] Gorbaczev LP., Nikitin N W, Magnitnaja Gidridinamika, 1984, no. 4, pp 32. ITI zmaiłov W.A., Ermołajeva N.T., Tokar W.S.. Cvietnyje Mietałły, ł 994, nr 7. s [8] Chamers B.. Journa AustraL nstitute Meta, 1963, vo. 8, s [9] Oh no A.. Th c Soidification o f Meta s, Chijin Sh)ken, Tokyo, [ OJ Szajnar J. Zmiany w strukturze i właściwościach odewów z A M n wykonanych pod działaniem poa megnetycznego. Mat.XIX Symp.N auk. AGH Kraków, 1993, s. O [I ł ] Szajnar J. i in., Ki erowanie krystaizacją odewu w pou magnetycznym. Raport kor\cowy projektu badawczego nr O KBN, Poitcchnika Ś. Giwice, J Szajnar J, Anaysis o f coumnar crystas growth d u ring the soidification in magnetic fkd. Proc. II Conf."Moving Boundaries '93", Miano Junc 1993, Wesscx nstitute of Technoogy Southampton, University o f Portsmouth, s ] S;:ąjnar.1, Cawror\ski, Magncticke poe jako modytikator struktury sitin. Mater. XII medzinarodna ko nfer. "Ockovada a prcdziatiny", Strojenska faku ta Vysokej Skoy dopravy a spojov v Żiinie, Rajecke Tep ice, , s ] Sząjnar J., Krzepnięcie Metai i Stopów, nr 27, s [ 15] Szajnar L Mode teoretyczny i weryfikacja do św iadczana procesu wzrostu kry szt ałów koumnowych podczas krzepn i ęcia odewów w pou eektromagnetycznym. Rap.koricowy proj.bad. nr 3 P KBN. Poitechnika ŚL Giwice. czerwiec ] Szajnar J, Gawror\ski L Krzepnięcie Meta i i Stopów, nr 37. s ] Szc:jnar J., Kr7. epnięcie Metai i Stopów, 1999, nr 40. s [ 18 J Szajnar J., Kr ;:cp nięci e Metai i S torów, nr 33, s Rece zował: Stanisław Jura