BADANIA SKURCZU LINIOWEGO W OKRESIE KRZEPNIĘCIA I STYGNIĘCIA STOPU AlSi 5.4

Transkrypt

1 9/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN BADANIA SKURCZU LINIOWEGO W OKRESIE KRZEPNIĘCIA I STYGNIĘCIA STOPU AlSi 5.4 STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Przedstawiono badania przebiegu skurczu liniowego w okresie krzepnięcia i stygnięcia dwuskładnikowego stopu AlSi5.4. Badania prowadzono w metalowych i piaskowych formach testowych. Key words: linear contraction, aluminum-silicon alloy 1. WPROWADZENIE Kurczenie się metalu w okresie krzepnięcia i stygnięcia odlewu jest bezpośrednim powodem powstawania wielu wad odlewniczych. Znajomość przebiegu zmian wymiarowych w funkcji temperatury odlewu może być więc źródłem wiedzy niezbędnej do poprawy jakości produkcji odlewniczej. W zamieszczonej w tym numerze Archiwum Odlewnictwa pracy [1] przedstawiono instalację doświadczalną pozwalającą rejestrować proces kurczenia się odlewu pręta o przekroju kwadratowym. Przykładowe ilustracje przeprowadzonych tym sposobem badań nad przebiegiem skurczu liniowego dwuskładnikowego stopu AlSi5.4 zaprezentowano poniżej. 2. PRZYKŁAD POMIARU Przedstawiony materiał ilustruje przebieg skurczu badanego stopu w formie piaskowej dla dwu różnych temperatur zalania (rys. 1, 2) oraz w podgrzanej do 150 C formie metalowej (rys. 3). W eksperymentach stosowano kotwę 6 (rys. 4 w [1]), ustalającą długość pręta skurczowego na 236 mm. W części (a) omawianych rysunków zamieszczono krzywe ilustrujące zmiany w czasie: temperatury metalu T(t) i jej pochod- 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 67

2 nej T (t), skurczu bezwzględnego S(t) i jego pochodnej S (t) oraz skurczu formy S f (t). W każdym przypadku forma rozszerzała się termicznie, stąd ujemna wartość jej skurczu. W części (b) rysunków pokazano temperaturową charakterystykę skurczu względnego S(T) i pochodnej wydłużenia bezwzględnego po temperaturze dl (T). Na rysunkach zaznaczono symbolami literowymi charakterystyczne etapy procesu : L początek krzepnięcia odlewu, E maks. efektu cieplnego przemiany eutektycznej, B koniec wydłużania się odlewu, C koniec wydłużania się formy, D początek kurczenia się odlewu. Dla tak wprowadzonych oznaczeń wydrukowano odpowiadające im wartości czasu, temperatury i zmian wymiarowych. W części (a) podane dla punktów (B) i (C) zmiany wymiarowe, to odpowiednio: maksymalne wydłużenie odlewu i formy. W częściach (b) każdego rysunku wydrukowano dodatkowo wartości temperaturowych pochodnych wydłużenia odlewu dla temperatury likwidus i solidus. Dla lepszego zilustrowania kurczenia się stopu w okresie krzepnięcia i początkowym stadium stygnięcia odlewu, w części (a) rysunków pokazano dla przypadku form piaskowych początkowe 120 sekund, a dla formy metalowej pierwsze 60 sekund z rejestrowanego przeciętnie przez 600 sekund procesu. Pełny obraz zarejestrowanych zmian skurczowych ilustrują w ujęciu temperaturowym rysunki (b). We wspomnianym czasie eksperymentu temperatura odlewu spadała przeciętnie do poziomu ok. 300 C, stąd dla oszacowania skurczu odlewniczego dokonano ekstrapolacji przebiegu charakterystyki S(T) do temperatury 20 C. Ekstrapolację wykonano za pomocą funkcji liniowej, uwzględniając końcowy przebieg charakterystyki S(T) w przedziale temperaturowym zaznaczonym na rysunkach (b) dwoma czarnymi kółkami. Dla tak przedłużonej charakterystyki S(T) program wykreślił dodatkowo poziomą linię ilustrującą przebieg pochodnej dl (T). Analiza zaprezentowanych wykresów pozwala zauważy, że zarówno w formie piaskowej, jak i metalowej odlew pręta ze stopu AlSi5.4 wydłużał się w początkowym stadium procesu. Dla form piaskowych kurczenie się odlewu rozpoczynało się dopiero ok. 100 C poniżej temperatury eutektycznej, natomiast dla formy metalowej skurcz następował bezpośrednio po zakończeniu przemiany eutektycznej. Pokazany w części (a) rysunków przebieg zmian wymiarowych formy pozwala na stwierdzenie, że wydłużanie się odlewu to efekt jego plastycznego odkształcania na skutek tarcia na granicy odlew-forma. Dla przypadku obu form należy zauważy znaczne zintensyfikowanie zmian wymiarowych w początkowym i końcowym stadium krzepnięcia, co przejawia się pojawieniem pików na wykresach pochodnej wydłużenia po temperaturze. O ile dla przypadku form piaskowych, zarówno w temperaturze likwidus, jak i eutektycznej, miało miejsce wzmożenie wydłużania, to dla formy metalowej w temperaturze eutektycznej następowało już kurczenie się odlewu. Zarówno dla form piaskowych, jak i formy metalowej największą temperaturową intensywność zmian skurczowych, wyrażoną za pomocą pochodnej dl (T), zauważyć można w zakresie temperatury ok. 410 C, przy czym dla formy piaskowej zmiany były znacznie mocniejsze (ok. 20 µm/k w stosunku do ok. 7 µm/k dla formy metalowej). 68

3 a) T(t) T (t) S (t) S(t) S f (t) b) dl (T) S(T) Rys. 1. Skurcz liniowy stopu AlSi5.4 w formie piaskowej: a) temperatura metalu T(t) i pochodna T (t), skurcz S(t) i pochodna S (t), termiczne wydłużenie formy S f (t); b) skurcz względny S(T) i pochodna wydłużenia odlewu po temperaturze dl (T) Fig. 1. Linear contraction of AlSi5.4 alloy in sand mould: a) metal temperature T(t) and derivative T (t), contraction S(t) and derivative S (t), thermal mould expansion S f (t); b) relative contraction S(T) and temperature derivative of casting expansion dl (T) 69

4 a) T (t) T(t) S (t) S f (t) S(t) b) dl (T) S(T) Rys. 2. Skurcz liniowy stopu AlSi5.4 w formie piaskowej: a) temperatura metalu T(t) i pochodna T (t), skurcz S(t) i pochodna S (t), termiczne wydłużenie formy S f (t); b) skurcz względny S(T) i pochodna wydłużenia odlewu po temperaturze dl (T) Fig. 2. Linear contraction of AlSi5.4 alloy in sand mould: a) metal temperature T(t) and derivative T (t), contraction S(t) and derivative S (t), thermal mould expansion S f (t); b) relative contraction S(T) and temperature derivative of casting expansion dl (T) 70

5 a) T (t) T(t) S(t) S f (t) b) dl (T) S(T) Rys. 3. Skurcz liniowy stopu AlSi5.4 w formie metalowej: a) temperatura metalu T(t) i pochodna T (t), skurcz S(t) i pochodna S (t), termiczne wydłużenie formy S f (t); b) skurcz względny S(T) i pochodna wydłużenia odlewu po temperaturze dl (T) Fig. 3. Linear contraction of AlSi5.4 alloy in metal mould: a) metal temperature T(t) and derivative T (t), contraction S(t) and derivative S (t), thermal mould expansion S f (t); b) relative contraction S(T) and temperature derivative of casting expansion dl (T) 71

6 Ekstrapolacja krzywej skurczowej do temperatury otoczenia wykazała, że skurcz całkowity w formie piaskowej był większy niż w formie metalowej, co należy przypisać większemu hamowaniu skurczu w formie metalowej. 3. PODSUMOWANIE Przedstawiony w pracy materiał pozwala na stwierdzenie, że dwuskładnikowy stop AlSi5.4 na skutek rozszerzalności termicznej formy podlega w początkowym okresie krzepnięcia, a dla formy piaskowej również stygnięcia, odkształceniom plastycznym powodującym wydłużanie odlewu. Właściwy skurcz dla formy metalowej rozpoczyna się wraz z zakończeniem krzepnięcia, natomiast dla formy piaskowej o ok. 100 C poniżej temperatury eutektycznej. Największa intensywność zmian skurczowych, niezależnie od materiału formy, ma miejsce na poziomie ok. 410 C. LITERATURA [1] Mutwil J.: Rola badań elementarnych zjawisk i procesów odlewniczych w podnoszeniu jakości odlewów, Archiwum Odlewnictwa, vol. 6, nr 18, 2006, s INVESTIGATION OF LINEAR CONTRACTION OF SOLIDIFING AND SELF-COOLING AlSi5.4 ALLOY SUMMARY Investigations of the development of linear contraction which appear during the solidification and self-cooling of binary AlSi5.4 alloy have been presented. Experiments have been conducted in sand and metal test moulds. Recenzował: Prof. Ferdynand Romankiewicz 72