WPŁYW PRZECHŁODZENIA STOPU AlMg10 NA KRZEPNIĘCIE PODCZAS PŁYNIĘCIA

Transkrypt

1 39/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW PRZECHŁODZENIA STOPU AlMg10 NA KRZEPNIĘCIE PODCZAS PŁYNIĘCIA Z. KONOPKA 1, M. CISOWKSA-ŁĄGIEWKA 2, A. ZYSKA 3, S. NOCUŃ 4, A. BOBER 5 Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa, al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono kinetykę krzepnięcia stopu AlMg10 podczas płynięcia w kanale formy z uwzględnieniem przechłodzenia. Oceniono wpływ przechłodzenia metalu na krytyczny udział fazy stałej, przy którym ustaje płynięcie. Porównano krzepnięcie stopu przy rzeczywistej szybkości stygnięcia i dla warunków modelowych krystalizacji równowagowej i maksymalnej segregacji. Key words: solidification, supercooling, flowing, segregation 1. WSTĘP Krzepnięcie metali podczas przepływu w kanale formy opisuje się uwzględniając różne mechanizmy krystalizacji statycznej. Dominują dwa charakterystyczne modele krzepnięcia, w których metal krzepnie od ścianek formy zmniejszając przekrój ciekłego metalu lub w wyniku ochłodzenia metalu pojawia się krzepnięcie objętościowe strugi metalu i zmiana właściwości reologicznych, co skutkuje zatrzymaniem płynięcia [1,2]. Stopy o szerokim zakresie krzepnięcia charakteryzują się przepływem, w którym faza stała wydziela się, rośnie i płynie aż do momentu osiągnięcia tzw. koncentracji krytycznej, która uniemożliwi dalszy ruch. Strumień zatrzyma się, gdy ciśnienie hydrostatyczne będzie za małe aby pokonać opór 1 dr hab. inż., prof. PCz., konopka@mim.pcz.czest.pl 2 dr inż., cis@mim.pcz.czest.pl 3 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 4 mgr inż., snocun@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż., bober@mim.pcz.czest.pl

2 273 zawiesiny [3,4]. Kinetyka krzepnięcia podczas płynięcia zależy wielu czynników związanych z warunkami przepływu, takich jak: ciśnienie, prędkość przepływu, geometria kanału formy czy oporu na ściankach formy zależnych od chropowatości powierzchni. Stygnięcie metalu i warunki wymiany ciepła metal-forma związane są ze zmienną wartością współczynnika wymiany ciepła na granicy metal-forma zależną od przepływu i właściwości termofizycznych formy i metalu. Wreszcie zespół właściwości cieplnych i reologicznych metalu wraz ze zjawiskami powierzchniowymi na granicy metal-forma, które uzupełniają szeroką gamę wielu zmiennych wpływających na krzepniecie metali podczas płynięcia. Dlatego też w badaniach lejności i płynięcia metalu w kanałach formy najczęściej bada się pola prędkości i temperatury[5,6]. 2. METODYKA BADAŃ Badania krzepnięcia stopu AlMg10 podczas jego płynięcia wykonano za pomocą spiralnej próby lejności, w której zainstalowano termoelementy Ni-CrNi wykonane z drutu o średnicy 0,3 mm, ze spoiną o średnicy 0.5mm pokrytą warstwą pokrycia w odległościach co 100 mm od wlewu głównego, w miejscach, które są znacznikami długości w próbie spiralnej. Ilość termoelementów i odległości, w jakich zostały zainstalowane określono na podstawie wcześniejszych prób [7]. Pierwszy termoelement był umieszczony tuż za wlewem głównym. Rejestrację pomiaru temperatur w czasie płynięcia metalu w kanale formy wykonano za pomocą komputerowej laboratoryjnej karty pomiarowej PCL 818 o maksymalnej częstości próbkowania 100kHz, z 16 kanałami unipolarnymi. Ciekły stop odlewano grawitacyjnie z temperatury 973 K do uprzednio przygotowanych form. Formę wykonano z masy formierskiej na osnowie piasku kwarcowego o średniej wielkość ziarna 0,09 mm ze spoiwem olejowym. 3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Z pomiaru pola temperatury płynącego stopu [8], uwzględniając stałą czasową termoelementu wyznaczono krzywą stygnięcia T=f(t), której równanie ma postać: 2b 2 ϑ = 1 ϑzal exp t (1) π R1 ρ1c1 gdzie: υ 1 =T 1 -T 2p, T 1, T 2p odpowiednio temperatura metalu i początkowa formy, b 2 =850 Ws 1/2 /m 2 K współczynnik akumulacji ciepła masy formierskiej, R 1 = m, sprowadzona grubość ścianki odlewu, ρ 1, c 1 odpowiednio gęstość i ciepło właściwe metalu. Zróżniczkowanie równania 1 względem czasu wyznacza szybkość stygnięcia metalu bez krzepnięcia, natomiast pochodna krzywej pomiarowej przedstawia szybkość

3 274 stygnięcia z uwzględnieniem krzepnięcia. Porównanie tych krzywych wyznacza kinetykę procesu krzepnięcia. Obliczone i uzyskane z pomiaru krzywe dla płynącego czoła strugi metalu przedstawiono na rysunku dt/dt -25 Temperatura [ o C] o C T=f(t) Szybkość stygnięcia [ o C/s] Czas [s] Długość [mm] Rys.1 Krzywe stygnięcia i krzepnięcia stopu AlMg10 podczas płynięcia. Fig.1. Cooling and solidification curves for AlMg10 alloy during flowing. Ilość fazy stałej w czasie krzepnięcia i płynięcia obliczono z udziałów wydzielanego ciepła krystalizacji w całkowitym cieple krystalizacji stopu, które wylicza się z różnicy szybkości stygnięcia metalu z krzepnięciem i bez. Tym samym wyznacza się ilość wykrystalizowanej fazy stałej w czasie płynięcia, a także w funkcji temperatury, co pozwala porównać takie zależności z modelowymi. Z wykresu odczytuje się początek krzepnięcia (pkt.1) i przechłodzenie uwzględniając zmianę równowagowej temperatury likwidus w funkcji stężenia Mg w cieczy. Zmianę przechłodzenia i ilości fazy stałej podczas płynięcia i krzepnięcia stopu AlMg10 przedstawiono na rysunku 2.

4 przechłodzenie udział fazy stałej Przechłodzenie [K] Udział fazy stałej [%] Czas [s] Rys.2 Przechłodzenie i udział fazy stałej podczas krzepnięcia i płynięcia stopu AlMg10. Fig.2. Supercooling and solid phase fraction during solidification and flowing of AlMg10 alloy. Analizując uzyskane wyniki zauważa się silne przechłodzenie płynącego stopu w kanale formy, co jest oczywiste ze względu na wysoką szybkość stygnięcia wywołaną małą sprowadzoną grubością odlewu i wysoką szybkością płynięcia. Zastosowanie analizy termicznej różniczkowej pozwoliło wyznaczyć kinetykę wydzielania ciepła krzepnięcia i zmianę ilości wykrystalizowanej fazy stałej w czasie, a także w funkcji temperatury. Takie zależności pozwalają porównać rzeczywiste krzepnięcie z przypadkami modelowymi krzepnięcia równowagowego lub z całkowitym mieszaniem. Obliczona ilość fazy stałej powodująca zatrzymanie płynięcia wynosi tylko około 8%, która jest koncentracją krytyczną. Wykonano symulacje krzepnięcia badanego stopu dla warunków równowagi i według modelu Scheila uwzględniającego całkowite mieszanie cieczy na froncie krystalizacji, co generuje maksymalną segregację składnika stopowego. Zastosowano w tym celu oprogramowanie komercyjne Thermo-Calc. W obu tych przypadkach nie uwzględnia się przechłodzenia metalu. Porównanie krzepnięcia badanego stopu w warunkach rzeczywistych szybkiego płynięcia, stygnięcia i silnego przechłodzenia z krzepnięciem modelowym przedstawiono na rysunku 3.

5 krzepnięcie równowagowe model Scheil'a krzepnięcie rzeczywiste Temperatura [ o C] Udział fazy stałej [%] Rys.3. Krzepnięcie rzeczywiste stopu AlMg10 podczas płynięcia. Fig.3. Real solidification of AlMg10 alloy during flowing. Można zauważyć, że koncetracja krytyczna silnie zależy od przechłodzenia stopu, czego przykładem jest porównanie krzepnięcia w warunkach modelowych z uwzględnieniem przechłodzenia (17,3% dla reguły dźwigni i 11% wg modelu Scheila). Nie uwzględniając przechłodzenia obliczona ilość fazy stałej dla danych warunków modelowych wynosi około 60% [8]. 4. PODSUMOWANIE Wzrost przechłodzenia metalu powoduje zmniejszenie koncentracji krytycznej fazy stałej podczas krzepnięcia i płynięcia wywołującej zatrzymanie płynięcia. Kinetyka krzepnięcia stopu w warunkach rzeczywistych (wysoka szybkość stygnięcia) ma odmienny od warunków modelowych, charakter ilościowy i jakościowy. Przedstawiona w artykule metodyka badania procesu krzepnięcia metalu podczas płynięcia pozwala analizować ten proces ilościowo i uwzględnia istotny wpływ przechłodzenia. Możliwość wyznaczenia koncentracji krytycznej może być podstawą do opracowania mechanizmu krzepnięcia różnych stopów, a także oceny wpływu różnych czynników. Oceniając uzyskane wyniki można przypuszczać, że krzepnięcie stopu AlMg10 podczas płynięcia ma charakter objętościowy, a strefę takiego krzepnięcia można wyznaczyć z pomiaru temperatury i znanego gradientu temperatury wzdłuż kierunku płynięcia.

6 277 LITERATURA [1] Flemings M.C.: Solidification processing, New York Mc-Grow-Hill [2] Mutwil J.: Ocena zjawisk fizyko-chemicznych zachodzących podczas wypełniania wnęki formy, Monografie nr 63, WSI, Zielona Góra, [3] Dhalt G., Gao D.M.: Finite element simulation of metal flow in moulds, Int. J. For Num. Math. In Eng., 1990, vol. 30, s [4] Mutwil J., Bydałek A., Niedźwiedzki D.: Stan obecny i perspektywy rozwoju badań nad lejnością metali i stopów, Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, PAN Katowice, 1998, s.53 [5] Qudong W, Yizhen L., Xiaoqin Z.,Wenjiang D,Yanping Z., Qinghua L., Jie L.: Study on the fluidity of AZ91+xRE magnesium alloy, Materials Science and Engineering A271, 1999, p [6] Bokota A., Sowa L.: Zastosowanie metody elementów skończonych do modelowania próby lejności, Archiwum Odlewnictwa, vol. 1, nr 1, 2001, [7] Konopka Z., Cisowska M., Zyska A.: Związek pomiędzy napięciem powierzchniowym i lejnością, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol.21, nr spec [8] Konopka Z., Łągiewka M.: Krzepnięcie stopu AlMg10 podczas płynięcia w formie odlewniczej. Hutnik nr 6, 2006r., s EFFECT OF AlMg10 ALLOY SUPERCOOLING ON SOLIDIFICATION DURING FLOWING SUMMARY Solidification kinetics of the AlMg10 alloy during flowing in mould channel taking supecooling into accout was presented in this paper. Effect of metal supercooling on critical fraction of solid phase which flowing stop was estimated. Solidification of examined alloy et real cooling rate and equilibrium and maximum segregation crystallization were compared. Recenzował Prof. Jan Szajnar