KINETYKA KRZEPNIĘCIA KOMPOZYTOW AI-Pb MARIAN MITKO, JANUSZ BRASZCZYŃSKI. Politechnika Częstochowska, Otrzymywanie kompozyłów Al-Pb

Transkrypt

1 19, 1994 Solidification of Metais and Alloys Krzepnięcie Metali i Stopów PL ISSN ~ KINETYKA KRZEPNIĘCIA KOMPOZYTOW AI-Pb MARIAN MITKO, JANUSZ BRASZCZYŃSKI Politechnika Częstochowska, Częstochowa W referacie przedstawiono metodykę obliczeń właściwości termofizycznych oraz kinetyki krzepnięcia metalu na podstawie pomiaru temperatury w stygnącym i krzepnącym odlewie. Podano wyniki pomiarów i obliczeń ciepła właściwego, kinetyki wydzielania się ciepła krzepnięcia kompozytów AI-Pb o różnej zawartości Pb. Wyniki badań posłużyły do analizy mechanizmu krystalizacji kompozytów AI-Pb w zależności od zawartości w nich ołowiu. Otrzymywanie kompozyłów Al-Pb Kompozyty AI-Pb o zawartości 2,7; 12,3 oraz 24,0% wagowych ołowiu otrzymano poprzez mieszanie mechaniczne ciekłego aluminium z ołowiem. Aluminium hutnicze Al topiono w tyglu grafitowym laboratoryjnego pieca indukcyjnego firmy LEYBOLD - HERAUS, a następnie wprowadzano ołów i przegrzewano kąpiel do 900 C. Tygiel z przegrzanym metalem umieszczono w piecu podgrzewczym mieszalnika mechanicznego (rys. 1). W komorze mieszalnika utrzymywano temperaturę 700 C. Kąpiel mieszano przez 180 sekund. Prędkość obrotowa mieszadeł przeciwbieżnych wynosiła 16 s- 1, a tarczy, na której umieszczono tygiel, wynosiła O, l s -t. Po zakończeniu mieszania odlewano w formach piaskowych płyty 14 x 200 x 200 mm. Właściwości termofizyczne masy formierskiej były następujące: współczynnik akumulacji ciepła 980 W s 1 n., gęstość 1600 kg/m 3. W celach porównawczych odlano także próbki z przetopionego i przegrzanego aluminium bez dodawania ołowiu. W czasie stygnięcia i krzepnięcia odlewów przeprowadzono pomiar temperatury termoelementarni NiCr-Ni umieszczonymi w środku płyty i na jej powierzchni. Zastosowany system pomiarowo-rejestrujący pozwalał na zapis wyników pomiarów siły termoelektrycznej do pamięci komputera.

2 212 M. Mirko, J. Braszczyński Rys. l. Schemat stanowiska do otrzymywania kompozytów metodą mieszania: l -piec silitowy, 2- tarcza obrotowa, 3 -tygiel, 4- termopara. 5 - układ przeciwbieżnych mieszadeł łopatkowych. 6 - silnik prądu zmiennego. 7 - wał napędowy. 8 - przekładnia pasowa, 9 - silnik prądu stałego Metodyka obliczeń ciepła właściwego i kinetyki krzepnięcia Znając współczynnik akumulacji ciepła b 2 masy fonnierskiej oraz pole temperatur w rozpatrywanym elemencie objętościowym odlewu można obliczyć strumień cieplny wnikąjący do piaskowej fonny grubościennej [l] (l) gdzie: q(1) - T P 1 T 2 P strumie11 cieplny w czasie 1liczonym od zalania fonny, temperatura na powierzchni kontaktu odlew-fonna, temperatura początkowa fonny (otoczenia).

3 Kinetyka krzepnifćcia kompozytu Al-Pb 213 Porównując ilość ciepła oddanego przez odlew z ilością ciepła przyjętego przez formę w wybranych przedziałach czasowych ~'t, gdy w odlewie nie zachodzą przemiany fazowe, można obliczyć ciepło właściwe odlewu w stanie ciekłym lub stałym ze wzoru [2] (2) gdzie: c)~'t) - objętościowe ciepło właściwe odlewu mierzone w przedziale czasowym ~'t= 12-,,, T 1 P (1) - średnia temperatura powierzchni odlewu w przedziale czasowym~~. T(< ), 1 T(-r ) - 2 temperatura środka odlewu odpowiednio w czasie 1 1 i 1 2 liczonym od początku zalewania, R = V /F - sprowadzona grubość ścianki odlewu, V - objętość odlewu, F - powierzchnia stygnięc ia odlewu. Gdy w odlewie zachodzą przemiany fazowe, to równanie różniczkowe dla jednokierunkowego przewodzenia ciepła można zapisać w postaci [l, 3] UT= UTo+ UTk (3) przyjmując następujące oznaczenia: (4) UTk = dlj('t) Cv (5) (6) gdzie: a - współczynnik wyrównania temperatury materiału odlewu w czasie krzepnięcia, dlj(1) = dl(<) - szybkość wydzielania się ciepła krzepnięcia w czasie 1, tzw. funkcja d< źródła ciepła przemiany, dl(<) - elementarna ilość objętościowego ciepła krzepnięcia wydzielająca się w czasie d't, cv - objętościowe ciepło właściwe materiału odlewu w okresie jego krzepnięcia.

4 214 M. Mitko, J. Braszczyński Sens fizyczny równania (3) jest następujący: rzeczywista szybkość zmiany temperatury UT w danym elemencie odlewu jest sumą szybkości zmiany temperatury w wyniku otaczającego element odlewu pola temperatur UTo, zwaną akumulacyjną, i szybkości zmiany temperatury w wyniku oddziaływania źródła ciepła UTk. Przyjmując w miejsce różniczki d't odpowiednio mały przedział czasowy.1-r, to bezpośrednio z pomiarów pola temperatur można wyznaczyć wartość UT. W przypadku krzepnięcia odlewu płyty w grubościennej formie piaskowej funkcję UTo określa zależność [l] (7) Korzystając z zależności od (3) do (7) można obliczyć'kinetykę krzepnięcia odlewu ze wzoru.1lj('t) = Cv [UT(-r) - UTo('t)] (8) przyjmując c"= 0,5 (cv (l) + c" (s)) (9) gdzie cv (l), cv (s) - objętościowe ciepło właściwe odlewu odpowiednio w stanie ciekłym i stałym obliczone ze wzoru (2). Całkowite objętościowe ciepło krzepnięcia ujmuje wtedy zależność gdzie: 1 2, '< 3 - odpowiednio czas początku i końca krzepnięcia. '3 L = f Lj(-r) d-r (10) "2 Pomiar pola temperatur oraz zależności (l) do (10) posłużyły do opracowania programu komputerowego do obliczania ciepła właściwego, kinetyki wydzielania się ciepła krzepnięcia oraz całkowitego ciepła krzepnięcia kompozytów AI-Pb. Wyniki pomiarów i obliczeń oraz ich analiza Wyniki pomiaru temperatury oraz wzory (2) i (9) posłużyły do obliczenia objętościowego ciepła właściwego badanych odlewów. Ich ciepło krzepnięcia obliczono ze wzoru (10) s tosując całkowanie numeryczne. Uzyskane wyniki obliczeń zestawiono w tabeli l.

5 Kinetyka krzepnięcia kompozytu Al-Pb 215 Tabela l. Właściwo ś ci termotizyczne badanych odlewów Oznaczenie Pb cv (l) cv (s) cv L o/o wag. MJ ML MI_ MJ (m 3 K) (m 3 K) (m 3 K) (m 3 K) Al AI-Pb3 2,7 3,18 2,75 2, Al-Pbl2 12,3 3, , AI-Pb24 24,0 3,28 2, ( ~UT \},,, u T T l/s l oc ~------~--~------~--~------~---+zse il czas, s 888 :a Lj. ~ ~ \ ' l - -z czas s 8811 Rys. 2. Wyniki pomiaru pola temperatur oraz obliczeń kinetyki krzepnięcia aluminium

6 216 M. Mitko, J. Bras zczy ński C iepło właściwe w stanie ciekłym obliczono w zakresie temperatur C, a w stanie stałym w zakresie temperatur C. Wyniki pomiaru pola temperatur T= f( 't), obliczone ze wzorów (5), (6), (7), (8) zamieszczono w formie wykresów na 8.5 u K/s " UT '-~:><:: 1/ --.,~- l / \ "' T T. l UTo '..._ / o C.... "~ "~ ~-~---~-~---~-~---~---+ ZSB 11 czas, s 8811 l B Lj "-1 s :/ ' \... _ -z l 11 czas, s 8811 Rys. 3. Wyniki pomiaru pola temperatur oraz obliczeń kinetyki krzepnię c i a kompozytu Al-Pb o zawartości 2,7% wag. Pb rysunkach od 2 do 5. Z analizy otrzymanych wykresów przebiegu funkcji Lj oraz układ równowagi AJ-Pb wynika, że krystalizację kompozytu AI-Pb można podzielić na trzy okresy. W pierwszym w temperaturze ok. 658 C, z cieczy L 1 (cie kły roztwór Pb w AJ) wydziela się faza a (s tały roztwór Pb w Al) tworząc eutektykę a + L 2, gdzie L 2 to ciekły roztwór Al w Pb. Wraz z obniżaniem się temperatury do ok. 560 C obserwuje się drugi

7 Kinetyka krzepnięcia kompozytu Al-Pb 217 okres, czyli krystalizację fazy a' (wtórnej) z cieczy L 2. Trzeci okres występuje poniżej temperatury 327 C i odpowiada krystalizacji fazy ~ będącej praktycznie czystym Pb. 8.5 ~ T858.,. u ~. UT.\...,. l / ""'' ~------~--~------~--~------~ CZAS, S 811 l 18 Lj '!U \ s 3 \ l ~ -z \ '..'-'\ ' \ czas, s 888 Rys. 4. Wyniki pomiaru pola temperatur oraz obliczeń kinetyki krzepnięcia kompozytu Al-Pb o zawartości 12,3% wag. Pb Efekt cieplny uzyskany w drugim okresie jest znaczny. Przyczyną tego jest dobre wymieszanie kąpieli metalowej (duża powierzchnia kontaktu pomiędzy L 1 i L 2 ), co w połączeniu z wysokim przegrzaniem (900 C) intensyfikuje wydzielanie fazy a' (wtórne). Z ilości ciepła krzepnięcia wydzielonego w drugim okresie można wnioskować o rozłożeniu Pb w kompozycie, a w trzecim okresie o ilości Pb w kompozycie.

8 218 M. Mit/w, J. Bros zczyński 8.5 ~ ~858 u l/s _., UT o CZAS, S 18 Lj ~ l -z CZAS, S 888 Rys. 5. Wyniki pomiaru poła temperatur oraz obliczeń kinetyki krzepnięci a kompozytu Ał-Pb o zawartości 24% wag. Pb Podsumowanie Porównując wyniki obliczeń właściwości termofizycznych, takich jak ciepło właściwe w stanie ciekłym i stałym oraz ciepła krzepnięcia dla aluminium (tab. l) z danymi literaturowymi [4] stwierdza się, że błąd oszacowania ciepła właściwego nie przekracza 5%, a ciepła krzepnięcia 7%. Pozwala to na pozytywną ocenę zastosowanej metodyki badań, szczegó łnie do oceny wpływu wprowadzanych dodatków do stopu na jego kinetykę

9 Kinetyka krzepnięcia kompozytu Al-Pb 219 krzepnięcia. W przypadku kompozytów metalowych można na tej podstawie oce ni ć efe ktywność wprowadzania cząstek zbrojących oraz wnios kować o połączeniu ich z osnową. Literatura l. W. LONGA: Krzepni ęcie odlewów. Ś l ąs k, Katowice M. MITKO, Z. KONOPKA: Teoria procesów odlewniczych. Politechnika Częstoc how s ka, Częstoc howa J. BRASZCZYŃSKI: Teoria procesów odlewniczych. PWN. Warszawa G.F. BALANDIN: Osnowy tieoriiformirowanija otliwki. Maszynostrojenije, Moskwa Summary KINETICS OF SOLIDIFICATION OF AI-Pb COMPOSITES The całcułations metbod of the thermał and physicał properties, as wełł the sołidification kinetics for the casting bas been presented. These calcułations were carried out by using the temperature measurements of the sołidifiełd casting. The measurements and calcułations results of the specific beat and solidification beat emission kinetics for the Ał-Pb composites with various łead contents have been provided. The hypothesis of crystałłization mechanizm for these composites on the ground of the resułts anałysis is presented.