ANALIZA WYBRANYCH W A CIWO CI STRUKTURALNYCH I WYTRZYMA O CIOWYCH ALUMINIOWYCH ODLEWÓW SZKIELETOWYCH

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 MIROS AW CHOLEWA, MARIA DZIUBA KA U A ANALIZA WYBRANYCH W A CIWO CI STRUKTURALNYCH I WYTRZYMA O CIOWYCH ALUMINIOWYCH ODLEWÓW SZKIELETOWYCH W artykule przedstawiono geometri przyk adowego szkieletu i rdzenia opart na osiemnasto- cianie hydraulicznym oraz technologie wykonania rdzenia. Opracowano warunki technologiczne wytwarzania zamkni tych odlewów szkieletowych ze stopów AlSi. Celem bada by a analiza stopnia rozdrobnienia i jednorodno ci struktury odlewów szkieletowych oraz w a ciwo ci u ytkowych tych odlewów. W zwi zku z tym zmierzono odleg o ci ga zi drugorz dowych dendrytów (DAS) w charakterystycznych obszarach wykonanych odlewów. W badanych odlewach odleg o ci wtórnych osi dendrytów DAS roztworu osi gaj najmniejsze warto ci w obszarze stanowi cym geometryczne naro e cian zewn trznych zamykaj cych odlew próbny, aczkolwiek s to warto ci zbli one do warto ci we wszystkich charakterystycznych obszarach. Zbadano wytrzyma o na ciskanie próbek z odlewów szkieletowych. Najwi ksz warto tej wytrzyma o ci uzyskano dla odlewu wykonanego przy parametrach technologicznych ujmuj cych temperatur zalewania, temperatur formy oraz wysoko uk adu wlewowego, a mianowicie: T zal = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm. Opracowane warunki technologiczne umo liwiaj wytworzenie odlewów o wymaganej zewn trznej i wewn trznej postaci geometrycznej i korzystnych w a ciwo ciach strukturalnych i wytrzyma o- ciowych. S owa kluczowe: odlew szkieletowy, stop AlSi, mikrostruktura, wytrzyma o na ciskanie 1. WPROWADZENIE Odlewy szkieletowe stanowi swego rodzaju konstrukcje zbli one w a ciwo- ciami do nowoczesnej grupy materia ów porowatych. Podobnie jak one, stwarzaj mo liwo stosowania na: zbiorniki ci nieniowe mediów gazowych i ciek ych (np. wodór, ozon), strefy kontrolowanej adsorpcji energii kinetycznej w samochodach (np. zderzaki, pod u nice), ramy i elementy no ne rodków transportu, korpusy obrabiarek, podstawy i konstrukcje no ne maszyn, pancerze militarne, elementy os on antyradarowych. Ze wzgl du na potencjalne szerokie Dr hab. in. Instytut Materia ów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej Mgr in. w Gliwicach. Praca jest wynikiem realizacji projektu o numerze N / 0253.

2 12 M. Cholewa, M. Dziuba Ka u a spektrum stosowania istotna jest analiza w a ciwo ci strukturalnych i u ytkowych przestrzennych odlewów szkieletowych, tak e w odniesieniu do kompozytów wytworzonych ze wzmocnieniem szkieletowym. W projektowaniu odlewów szkieletowych kluczowe znaczenie ma dobór geometrii i materia u rdzenia. Proces wykonania odlewu szkieletowego ze wzgl du na du powierzchni stygni cia w porównaniu z tradycyjnymi odlewami wymaga u ycia na rdze materia ów termoizolacyjnych. Dlatego w odlewach mo na si spodziewa struktur gruboziarnistych. Do wykonania odlewów szkieletowych zastosowano ró ne stopy oko oeutektyczne, poniewa z za o enia krystalizuj one w drobnoziarnistych strukturach. W opracowaniu przedstawiono szkielety wykonane ze stopu AlSi WYKONANIE RDZENI ODLEWÓW SZKIELETOWYCH Do wykonania rdzeni u yto szablonu pe ni cego funkcj rdzennicy, umo liwiaj cego powtarzalne, precyzyjne wykonanie w kszta tce rdzeniowej otworów w trzech prostopad ych p aszczyznach. Na rysunku 1 pokazano pojedyncz komórk rdzenia o optymalnej geometrii osiemnasto cianu hydraulicznego wraz z charakterystycznymi wymiarami. W zale no ci od materia u rdzenia stosuje si ró ne warianty ubytkowych technik kszta towania otworów. Do wykonania rdzeni odlewów b d cych przedmiotem opracowania u yto materia u glinokrzemianowego o w a- Rys. 1. Komórka rdzenia z charakterystycznymi wymiarami Fig. 1. The core cell with characteristic dimensions ciwo ciach termoizolacyjnych. Materia na rdze uzyskano z glinokrzemianowych w ókien d ugo ci 3 mm, które tworz dyspersj w wodnym roztworze nieorganicznego rodka wi cego i rodka organicznego reguluj cego lepko. Z powsta ej zawiesiny uzyskano kszta tki rdzeniowe metod odlewania pró niowego. W tablicy 1 zamieszczono w a ciwo ci materia ów glinokrzemianowych, z których wykonano rdze odlewu szkieletowego. Materia glinokrzemianowy charakteryzuje dobra odporno na wysok temperatur, dochodz c do 1430 o C (1700 K), oraz bardzo ma y wspó czynnik przewodzenia ciep a ( = 0,037 W/(m K)). Materia ten zosta wytypowany do wykonania rdzenia odlewu szkieletowego. Przewodnictwo cieplne potencjalnych

3 Analiza wybranych w a ciwo ci strukturalnych i wytrzyma o ciowych 13 materia ów rdzeniowych w zale no ci od g sto ci masy i temperatury przedstawiono w tablicy 2. Tablica 1 W a ciwo ci i sk ad materia ów glinokrzemianowych u ytych na rdzenie odlewów szkieletowych [3] Properties and constitution of aluminum silicates applied for cores in skeleton castings [3] Sk ad chemiczny odmian materia u A B SiO % 46 48% Al 2 O 3 + ZrO % 52 54% Temperatura graniczna 1260 C 1430 C Ciep o w a ciwe przy 1173 K 969 J/(kg K ) Rys. 2. Geometria rdzenia odlewu szkieletowego Fig. 2. Core geometry in skeleton casting Na rysunku 2 pokazano geometri rdzenia uzyskano otwory uk adaj ce si w przestrzenn, prostopad sie. rednice kana ów przyj to równe 5 mm. Kana- y rdzenia tworz ce czniki szkieletu odpowiadaj kraw dziom sze cianu o d ugo ci 15 mm.

4 14 M. Cholewa, M. Dziuba Ka u a Tablica 2 Przewodnictwo cieplne materia ów rdzeniowych w zale no ci od g sto ci masy i temperatury [3] Thermal conductivity of core materials regarding the mass density and temperature [3] Temperatura [K] Materia A B g sto [kg/m 3 ] przewodnictwo cieplne [W/(m K)] 573 0,086 0, ,118 0, ,167 0, ,246 0, ,339 0, ,413 0,33 Rys. 3. Glinokrzemianowy rdze odlewu szkieletowego Fig. 3. Aluminium silikon core of the skeleton casting Przedstawiony na rys. 3 gotowy rdze pos u y do wykonania odlewu szkieletowego. Rdze pozwala na wytworzenie przestrzennej wewn trznej struktury otwartych lub zamkni tych odlewów szkieletowych. Zamkni te odlewy szkieletowe, jako trudniejsze technologicznie, pos u y y za odlewy próbne w badaniach. 3. WYKONANIE ODLEWÓW SZKIELETOWYCH Do wykonania odlewów próbnych u yto odlewniczego stopu aluminiowego AlSi11. Stop ten jest zalecany do stosowania na odlewy o skomplikowanych kszta tach. Sk ad chemiczny stopu przedstawiono w tablicy 3. Dobrano go wed ug normy PN-EN 1706:2001 i uzupe niono dodatkiem 0,4% Sb.

5 Analiza wybranych w a ciwo ci strukturalnych i wytrzyma o ciowych 15 Tablica 3 Sk ad chemiczny odlewniczego stopu aluminium AlSi11 wed ug PN-EN 1706:2001 wyra ony w procentach masy [8] Chemical constitution of the aluminum alloy AlSi11 according to PN-EN 1706:2001 described in mass percentage [8] Pierwiastek Sk ad [%] Si 10,0 11,8 Fe 0,15 Mg 0,45 Mn 0,10 Cu 0,03 Zn 0,07 Ti 0,15 Al reszta W badaniach wykorzystano antymon w celu obni enia napi cia powierzchniowego ciek ego stopu, zminimalizowania tworzenia tlenków Al 2 O 3 na froncie strugi, a zatem w celu maksymalizacji lejno ci stopu. Jego modyfikuj ce dzia anie na struktur uznano za drugoplanowe. Rys. 4. Zamkni ty szkieletowy odlew aluminiowy po usuni ciu górnej ciany zamykaj cej Fig. 4. Closed aluminum skeleton casting after removal of the upper wall Odlewy próbne wykonano z nast puj cymi za o eniami geometrycznymi: wymiary odlewu: mm, grubo cian zewn trznych: 6 mm, wysoko uk adu wlewowego h = 300 mm, dolny, szczelinowy wlew doprowadzaj cy (5 50 mm), centralny, górny nadlew ( ) mm, wielko komórki szkieletu: a = 15 mm, promie cznika szkieletu r = 2,5 mm. Wsad aluminiowy o masie 5 kg topiono w piecu indukcyjnym. Na rysunku 4 pokazano przyk adowy, próbny, zamkni ty, aluminiowy odlew szkieletowy.

6 16 M. Cholewa, M. Dziuba Ka u a 4. ANALIZA ODLEG O CI GA ZI DRUGORZ DOWYCH DENDRYTÓW ROZTWORU Próbki do bada strukturalnych trawiono rednio przez 30 s w roztworze 20% NaOH (20gr NaOH rozpuszczono w wodzie destylowanej). Próbki wymyto w wodzie, a nast pnie w alkoholu etylowym, po czym suszono ciep ym, a nast pnie zimnym powietrzem przez 10 min. Na rysunku 5 przedstawiono charakterystyczne obszary, które poddano analizie DAS. Odleg o wtórnych osi dendrytów nierzono za pomoc komputerowego systemu analizy obrazu Nikon Epihot 200 & Lucia G on Ds. Video wersja 4.82 przy powi kszeniu mikroskopu 15. Wykonano 39 pomiarów dla ka dego analizowanego obszaru badanych odlewów szkieletowych. Badania ujmuj liczbowo wp yw szybko ci odprowadzania ciep a na stopie rozdrobnienia struktury odlewów szkieletowych. W tablicy 4 przedstawiono wyniki analizy DAS tylko w charakterystycznych, skrajnych, najbardziej zró nicowanych strukturalnie obszarach odlewów. Rys. 5. Obszary, w których porównywano mikrostruktury: 1 naro nik w z a szkieletu, 2 przekrój wzd u ny cznika szkieletu, 3 przekrój poprzeczny cznika szkieletu, 4 centralna cz naro nika ciany zamykaj cej szkielet, 5 zewn trzna powierzchnia naro nika ciany zamykaj cej szkielet [2] Fig. 5. Zones with microstructure comparison: 1 corner of the skeleton core, 2 longitudinal section of the skeleton link, 3 cross section of the skeleton link, 4 central corner part of the wall that closes the skeleton, 5 outer surface of the corner in the skeleton closing wall [2] Tablica 4 Odleg o ci wtórnych osi dendrytów w wybranych skrajnych obszarach odlewów szkieletowych Dendrite arm spacing for chosen outer zones of the skeleton casting Oznaczenie próbki T zal = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm T zal = 983 K, T formy = 293 K, h = 265 mm Miejsce wykonania pomiaru Odleg o wtórnych osi dendrytów [ m] odchylenie minimum maksimum rednia standardowe obszar 1 26,27 82,20 49,1 12,9 obszar 5 22,52 86,06 50,3 13,9 obszar 1 22,97 82,20 52,3 14,9 obszar 5 24,26 93,73 52,7 15,5

7 Analiza wybranych w a ciwo ci strukturalnych i wytrzyma o ciowych 17 W badanych odlewach odleg o ci wtórnych osi dendrytów roztworu osi gaj najmniejsze warto ci w obszarze 1, aczkolwiek warto ci DAS w obszarach 1 i 5 tych odlewów maj zbli one warto ci. Stanowi to potwierdzenie tylko nieznacznego zró nicowania struktury w badanych obszarach odlewów. Wykresy odleg o ci ga zi drugorz dowych dendrytów roztworu w wybranych obszarach odlewów szkieletowych przedstawiono na rys. 6. Dla odlewu wykonanego w warunkach: T zal = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm zaobserwowano zbli on liczno DAS w najni szych klasach rozk adu odleg o ci DAS dla skrajnych obszarów 1 i 5. wiadczy to o du ej jednorodno ci struktury wykonanych odlewów szkieletowych. a) b) Rys. 6. Rozk ad odleg o ci wtórnych osi dendrytów w wybranych obszarach odlewu (T zal = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm) Fig. 6. Distances distribution of the dendrite arm spacing for chosen zones of casting 5. BADANIA WYTRZYMA O CIOWE Odlew szkieletowy ze wzgl du swoje perspektywiczne zastosowania mo e by nara ony na dzia anie si rozci gaj cych i ciskaj cych, np. w zbiornikach ci nieniowych mediów gazowych i ciek ych lub w strefach kontrolowanej adsorpcji energii kinetycznej w samochodach (zderzaki, pod u nice). Na obecnym etapie bada sprawdzono wytrzyma o na ciskanie fragmentów szkieletów.

8 18 M. Cholewa, M. Dziuba Ka u a Rys. 7. Profil kszta tki zastosowanej do bada wytrzyma o ciowych Fig. 7. Sample applied for strength investigations Badania wykonano na maszynie wytrzyma o ciowej o maksymalnej sile 100 kn (Veb Werkstoffprüffmaschinen Leipzig). Podczas prób zarejestrowano zale no si y ciskaj cej P [kn] od odkszta cenia bezwzgl dnego L [mm]. Z badanych odlewów szkieletowych wyci to kszta tki o wysoko ci 27 mm, o profilu pokazanym na rys. 7. Wykonano po 6 prób ciskania wycinków szkieletu metalowego z ka dego odlewu. Wykresy zale no ci odkszta cenia od napr enia ciskaj cego dla badanych próbek przedstawiono na rys. 8. Zaobserwowano nieliniow zale no wyd u enia wzgl dnego od napr enia ciskaj cego. Pionowe czniki kszta tki (wycinka szkieletu) poddane ciskaniu ulegaj nieznacznemu wyboczeniu. Wynika to z proporcji elementarnej komórki, której pionowo obci one czniki istotnie odbiegaj proporcjami wymiarów od zalecanych dla klasycznej próby ciskania materia ów monolitycznych. Niemniej, bior c pod uwag wst pny charakter bada wytrzyma o ciowych, za podstawowy sposób pomiaru przyj to oszacowanie wytrzyma o ci na ciskanie powtarzalnego elementu obejmuj cego pojedyncz komórk szkieletu. Nale y podkre- li, e sposób doboru wymiarów i orientacji próbki w stosunku do si y ciskaj cej jest niekorzystny, ale opracowanie metody pomiaru jest obecnie przedmiotem analiz, prezentowane wyniki nale y wi c traktowa jako szacunkowe i pogl dowe wst pne. Napr enie ciskaj ce [MPa] ,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,03 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,09 Napr enie ciskaj ce [MPa] ,02 0,03 0,04 0,04 0,05 0,06 0,06 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,09 Wyd u enie wzgl dne [1/1] Wyd u enie wzgl dne [1/1] Rys. 8. Wykres zale no ci wyd u enia wzgl dnego od napr enia próbki: a) AlSi11, T zal = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm; b) AlSi11, T zal = 983 K, T formy = 293 K, h = 265 mm Fig. 8. Diagram of the relative stress elongation in the sample: a) AlSi11, T zal = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm; b) AlSi11, T zal = 983 K, T formy = 293 K, h = 265 mm

9 Analiza wybranych w a ciwo ci strukturalnych i wytrzyma o ciowych 19 Na rysunku 9 przedstawiono wyniki wytrzyma o ci na ciskanie badanych próbek odlewów. Najwi ksz warto wytrzyma o ci na ciskanie uzyskano dla odlewu wykonanego w nast puj cych warunkach technologicznych: T zal = = 1013 K, T formy = 333 K, h = 265 mm. Próbka pokazana na rys. 7 odpowiada znormalizowanej, monolitycznej próbce o rednicy 10 mm. Minimalna wytrzyma o takiej próbki wed ug normy wynosi 160 MPa i dotyczy odlewu piaskowego. Otrzymane wyniki s zgodne z ogóln zasad wzrostu wytrzyma o ci wraz ze zmniejszaniem przekroju próbki (z jednoczesnym pomini ciem wp ywu rodzaju i liczebno ci wad odlewniczych) ,51 240,76 Rc [Pa] Próbka (AlSi11, temp. zalewania 1013K, temp. formy 333K, h 265 mm) Próbka (AlSi11, temp. zalewania 983K, temp. formy 293K, h 265 mm) Rys. 9. Wytrzyma o na ciskanie badanych odlewów Fig. 9. Compressive strength of the investigated casting W przedstawionym przyk adzie, pomimo stwierdzonego wyboczenia pionowych czników przy wspó dzia aniu poziomych czników, potwierdzono wi ksz wytrzyma o szkieletowej kszta tki o czterech pionowych cznikach w porównaniu z odlewem monolitycznym o tej samej powierzchni obci onego przekroju. Stwierdzony brak p yni cia materia u pod obci eniem powoduje w rezultacie kruche p kanie, co mo e by uzasadnieniem stosowania podobnych szkieletów na klatki bezpiecze stwa w rodkach transportu. 6. WNIOSKI 1. Opracowano ogólne warunki technologiczne wytwarzania odlewów szkieletowych z modelowych stopów Al-Si. Umo liwia to powtarzalne wytwarzanie fragmentów otwartych i zamkni tych odlewów szkieletowych o przedstawionej zewn trznej i wewn trznej postaci geometrycznej i korzystnych w a ciwo ciach strukturalnych i u ytkowych.

10 20 M. Cholewa, M. Dziuba Ka u a 2. Na podstawie bada mikrostruktury mo na stwierdzi, e odlewy szkieletowe wykazuj korzystne w a ciwo ci strukturalne (struktura rozdrobniona o du ej jednorodno ci). 3. Mechanizm niszczenia kszta tek pod obci eniem i zadowalaj ca warto wytrzyma o ci na ciskanie s korzystne ze wzgl du na przysz e zastosowania odlewów szkieletowych. 4. Wskazane jest opracowanie specjalnej metodyki badania w a ciwo ci u ytkowych odlewów szkieletowych, np. na próbkach utworzonych z 9 prezentowanych komórek elementarnych przy zmiennej orientacji w stosunku do kierunku dzia ania obci enia. LITERATURA [1] Cholewa M., Kszta towe odlewy z pian kompozytowych, Archiwum Odlewnictwa, 2003, vol. 3, nr 9, s [2] Cholewa M., Dziuba Ka u a M., Closed aluminum skeleton casting, Archives of Foundry Engineering, 2008, vol. 8, special issue 1, s [3] Cholewa M., Dziuba Ka u a M., Lortz M., Metody wykonania rdzeni odlewu szkieletowego, Prace Studenckich Kó Naukowych, 2008, zeszyt nr 16, s. 9 16, Gliwice, Wydawnictwo Instytutu Materia ów In ynierskich i Biomedycznych. [4] Cholewa M., Szyndler B., Materia y formierskie na supercienko cienne odlewy szkieletowe, Prace Studenckich Kó Naukowych, 2007, zeszyt nr 11, s Gliwice, Wydawnictwo Instytutu Materia ów In ynierskich i Biomedycznych. [5] Dar ak P., Dudek P., Materia y wysokoporowate metody wytwarzania i zastosowanie, Odlewnictwo: Nauka i praktyka, 2004, nr 1, s [6] Janus-Michalska M., Effective models describing elastic behaviour of cellular materials, Archives of metallurgy and materials, 2005, vol. 50, issue 3, s [7] Kordzikowski P., Janus-Michalska M., P cherski R.P., Specification of energy based criterion of elastic limit states for cellular materials, Archives of Metallurgy and Materials, 2005, vol. 50, issue 3, s [8] Norma PN-EN 1706:2001 Odlewnicze stopy aluminium. [9] Pietrowski S., Siluminy, ód, Wydawnictwo Politechniki ódzkiej Praca wp yn a do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. in. Zenon Ignaszak ANALYSIS OF SELECTED STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINIUM SKELETON CASTINGS S u m m a r y In this paper geometry of skeleton casting and the core was shown together with its technology. Manufacturing parameters were determined for production of closed skeleton castings made of AlSi alloys. The main aim was to analyze the refinement degree of the microstructure and its homogeneity together with operational properties of the castings. Dendrite arm spacing (DAS) was observed in characteristic regions of the casting. For studied castings the lowest values of DAS

11 Analiza wybranych w a ciwo ci strukturalnych i wytrzyma o ciowych 21 were observed in the corner of external walls of the casting. Nevertheless, values observed are close to those observed in other characteristic regions. To evaluate the mechanical properties compression test were performed. The highest compression strength was observed for skeleton casting manufactured under following technological conditions: pouring temperature 1013 K, mould temperature 333 K, height of the gating system 265 mm. Determined technological conditions enabled manufacturing of skeleton castings with desired external and internal geometry and favorable mechanical and structural properties. Key words: skeleton casting, AlSi alloy, microstructure, compression strength