POLE TEMPERA TUR W TECHNOLOGII WYKONANIA ODLEWÓW WARSTWOWYCH

Transkrypt

1 Solidification of Metais and Alloys, No.30, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN - Oddział Katowice; PL ISSN JERZY Kn-ARSKI, ANDRZEJ STUDN1Ctu, JACEK SUCHOŃ, STAN1SŁAW JURA POLE TEMPERA TUR W TECHNOLOGII WYKONANIA ODLEWÓW WARSTWOWYCH W pracy przedstawiono symulację komputerową pola temperatur podczas odlewania bimetalu blacha stalowa-żeliwo chromowe za pomocą programu SIMTEC-RWP l. WPROW ADZENIE Coraz wyższe i różnorodne wymagania stawiane elementom maszyn i urządzeń stały się powodem powstawania wyrobów zespolonych, \vykorzystujących właściwości różnych materiałów (l]. Przykładem takich wyrobów może być grubościenny odlew w postaci dwuwarstwowej płyty składającej się z blachy stalowej i żeliwa chromowego połączone ze sobą w procesie odlewania w jeden element tzw. bimetal. Zapewnienie dobrego połączenia obu materiałów wymaga wstępnego podgrzania blachy. Specyfika opracowanej w Katedrze Odlewnictwa Pol.ŚI. technologii otrzymywania odlewów warstwowych polega na podgrzewaniu blachy za pomocą tego samego ciekłego żeliwa, które wchodzi w skład bimetalu. Stąd istotnymi parametrami warunkującymi dobre połączenie blachy z żeliwem są: temperatura ciekłego metalu i blachy, pole temperatur na powierzclmi blachy i w objętości bimetalu, czas nagrzewania blachy itp. 2. TECHNOLOGIA WYKONANIA BIMETALU Odlew bimetalowy blacha stalowa-żeliwo chromowe stanowi bloczek o wymiarach 260x200x90 mm przy założeniu grubości blachy l 5 mm. W przyjętej technologii nagrzewanie blachy odbywa się za pomocą cieklego metalu, stąd w metodzie tej występuje podwójny układ wlewowy: jeden do zapełnienia wnęki pod blachą, drugi dla bimetalu i nadlewu. Przyjęcie podgrzewania blachy przez ciekły metal wymusza stosowanie dwuetapowego zalewania form y odle\vniczej. dr inż. - Katedra Odle\vnictwa Politeclmiki Śląskiej w Gliwicach mgr inż. -Katedra Odlewnictwa Politeclmiki Śląskiej w Gliwicach... prof. dr hab. inż. -Katedra Odlewnictwa Politcclmiki Śląskiej w Gliwicach

2 136 Jerzy Kilarski, Andrzej Studnicki, Jacek Suchoń, Stanisław Jura W I etapie zalewana jest wnęka fonny pod blachą, a w drugim po nagrzaniu blachy wlewane jest ciekłe żeliwo tworzące bimetal. W przyjętej technologii przewiduje si<;: zalewanie z jednej kadzi, stąd w I etapie zalewania występują wyższe temperatury cieklego żeliwa, a w drugim (po kilkuminutowym odczekaniu) niższe. 3. SYMULACJA NAGRŻEW ANIA BLACHY STALOWEJ I ODLEWU Symulacja nagrzewania blachy stalowej i odlewu wymagała wprowadzenia do programu geometrii blachy łącznie z odlewem, układem wlewowym i zasilającym oraz szczeliną i wnęką podgrzewającą blachę. Geometrię fonny wraz z naniesioną siatką i opisem przedstawiono na rysunku l. Prowadzono symulację pola temperatur blachy i odlewu oraz określono zmiany temperatury w najbardziej charakterystycznych punktach odlewu. Przyjęto cztery punkty pomiarowe na powierzchni blachy: l i 2 -w narożach blachy, 3 - w pobliżu środka dłuższej krawędzi blachy, 4 - w osi symetrii blachy, Do obliczeń przyjęto następujące dane oraz wartości początkowe i brzegowe: materiał: blacha stalowa St3, żeliwo wysokochromowe T w! w I etapie: 1500 C T w! w II etapie: l450 C max czas symulacji: 3550 s (59 min.) Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 2-4, przy czyn1 rysunek 2 przedstawia zn1iany temperatury poszczególnych punktów pomiarowych na powierzchni blachy nagrzewanej warstwą cieklego metalu od ch\vili zalania wnęki fom1y do maksymalnego nagrzania blachy. Z kolei rysunek 3 przedstawia przestrzenne układy pola temperatur blachy stalowej podgrzewanej warstwą ciekłego żeliwa po czasie l 80 i 550 s, a rysunek 4 zmiany pola temperatur stygnącego bimetalu po czasie l 000 i 1500 s. 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ W wyniku wprowadzenia do wnęki fom1y znajdującej się pod blachą ciekłego żeli\va o temperaturze 1500 C zaczyna nagrzewać się blacha od temperatury otoczenia do temperatury C w zależności od położenia punktu pomiarowego (rys. 2). Czas nagrzewania do ustabilizowania się temperatur wynosi 550 s (ok. 9 min), przy czyn1 najwyższe temperatury osiąga punkt 4 (środkowa część blachy), następnie punkt 3, a najniższe temperatury występują w narożach (punkty l i 2). Pole temperatur nagrzewanej blachy przedstawia rysunek 4 po czasie odpowiednio 180 i 550 sekund na którym widać wyraźnie, że najwyższe temperatury występują w części środkowej, a najniższe w narożach

3 Pole temperatur w technologii l'.ykonania odlewów warstwol'.ych 137 Rys. l. Geometria odlewu z ukladem wlewowym Fig. l. 1l1e geometry o f casting with gating system temp(01) temp(02) temp(03) ---temp(04) 200 o o c.o o N t- N Czas [s] C() (") Rys. 2. Zmiany temperatury poszczególnych punktów na powierzclmi blachy Fig. 2. 1l1e changes o f temperatures some poi n ts on the surface o f plate

4 138 Jerzy Kilarski, Andrzej Studnicki, Jacek Suclw11, Stanisław Jura Rys. 3. Pole temperatur blachy stalowej po 180 i 550 sekundach Fig. 3. The thcnnal field of stecl plate at the 180 and 550 seconds

5 Pole temperatur w technologii Hykonania odlewów warstwowych 139 Rys. 4. Polc temperatur bimetalu po czasie l 000 i 1500 sekund Fig. 4. Thc thennal fi eld o fbimetal at the l 000 and 1500 seconds

6 140 Jerzy Kilarski, Andrzej Studnie/d, Jacek Suc/w,!, Stanisław Jura i krawędziach. Taki nierównomierny rozkład temperatur może być powodem braku w tych miejscach połączenia blachy z odlewem. Ponadto wskazuje na potrzebę zmiany kształtu i wymiarów wnęki podgrzewającej blachę i w miejsce prostej wnęki powinno się wykonywać wnękę kształtową pozwalającą na bardziej równomierny rozkład temperatury. Również zróżnicowane pole temperatur występuje podczas stygnięcia bimetalu (rys. 4). Najwyższa temperatura pojawia się od strony nadlewu, co w tym przypadku jest zrozumiałe ze względu na potrzeby zasilania odlewu przez nadlew. Wysokie temperatury rzędu 1100 C w narożach i powyżej 1200 C w pozostałej części bimetalu utrzymujące się jeszcze przez następne 500 sekund mogą świadczyć o poprawnym połączeniu blachy z żeliwem dając w efekcie trwały bimetal. 5. PODSUMOW ANIE Zastosowana symulacja do odlewów warstwowych pozwalająca na graficme przedstawienie m1ian temperatury w danych punktach odlewu oraz obserwacji płaskich i przestrzennych pól temperatur w dowolnych przedziałach czasowych może stanowić doskonale narzędzie zarówno do projektowania założeń konstrukcyjno technologiemych tego typu odlewów jak i poprawy wcześniej opracowanej technologii. LITERATURA II] Jura S., Kilarski J.: Odlewy warstwowe i zbrojone jako nowoczesne konstmkcjc zespolone. Mat. Konf. V Konferencja: Trwałość Elementów i Węzłów Konstmkcyjnych Maszyn Gómiczych, Ustroil Jerq Kilarski Andrzej Studnicki Jacek Suchoil Stanisław Jura The thermal field in casting technology of the composite castings Summary The computer simulation of the thennal field during casting of bimetal steeł plate ~ - chromium cast iron by the computer program SIMTEC-RWP is presented in the paper.