STANOWISKO DO BADANIA SKURCZU LINIOWEGO I NAPRĘŻEŃ SKURCZOWYCH W ODLEWACH

Transkrypt

1 33/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN STANOWISKO DO BADANIA SKURCZU LINIOWEGO I NAPRĘŻEŃ SKURCZOWYCH W ODLEWACH STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Opisano stanowisko do badania ewolucji skurczu liniowego i naprężeń skurczowych w odlewie. Zastosowano mikroprocesorową rejestrację sygnałów pomiarowych. Przedstawiono przykładowe ilustracje zmian skurczowych w aluminium. Key words: linear contraction, shrinkage stresses 1. WPROWADZENIE Skurcz liniowy i naprężenia skurczowe powstające w okresie krzepnięcia i stygnięcia odlewu mogą prowadzić do zmiany jego geometrii, a nawet pękania. Dokładne poznanie mechanizmu kurczenia się odlewu ma więc istotne znaczenie dla teorii i pra k- tyki odlewniczej. W pracach [1, 2] przedstawiono propozycje stanowisk do badania ewolucji skurczu i naprężeń skurczowych w odlewach. Prowadzone z wykorzystaniem tych urządzeń badania na stopach Al - Si wykazały [2], że w początkowym okresie krzepnięcia występował ujemny skurcz odlewu, zwany w literaturze rozszerzalnością przedskurczową. Wielkość ujemnego skurczu i zakres temperatur, w którym się on ujawniał wykluczały praktycznie możliwość wyjaśnienia go wydzielaniem się gazów, czy też fazy o większej objętości właściwej. Seria badań, w których mierzono zmiany wymiarowe trzpienia łączącego swobodny koniec kurczącego się odlewu z czujnikiem przemieszczeń, wykluczyła też możliwość wyjaśnienia tego zjawiska błędem pomiarowym. Jedynym wyjaśnieniem może tu być więc zjawisko wydłużania się odlewu na skutek termicznego rozszerzania się formy po zalaniu jej metalem. Poniżej opisano zmodyfikowaną wersję wcześniejszych stanowisk badawczych, w której zastosowano dodatkowy czujnik przemieszczeń mierzący zmiany wymiarowe formy testowej. 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 287

2 2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Ogólny schemat stanowiska do badania ewolucji skurczu liniowego i naprężeń p o- wstających na skutek jego hamowania w odlewie prostego pręta o przekroju kwadratowym przedstawiono na rysunku 1. Zamieszczony rysunek ilustruje stanowisko przygotowane do badania naprężeń. W badaniach skurczu czujnik siły zastępowany jest przez czujnik przemieszczeń. Takie rozwiązanie pozwala na prowadzenie badań sku r- czu i naprężeń skurczowych przy zachowaniu identycznych warunków eksperymentu. Rys. 1. Schemat stanowiska do badania skurczu liniowego i naprężeń skurczowych: 1-kształtowa rama, 2-segment pręta skurczowego, 3- czujnik siły, 4- ramiona czujnika, 5-złącza ramion czujnika ze śrubą napinającą 11 i kotwą 6, 7- płytka zamykająca wnękę 2, 8- segment wlewowy, 9- dzielona nadstawka zbiornika wlewowego, 10- płyta zamykająca, 12- wałeczki toczne, 13- blokada, 14- ograniczniki, 15- termoelement, 16- mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16, 17- komputer Fig. 1. Schematic diagram of stand for investigation of linear contraction and shrinkage stresses: 1-shape board, 2-segment of shrinkage bar, 3- force sensor, 4- sensor arms, 5-couplings of sensor arms with both the strain screw 11 and the anchor 6, 7- plate closing the cavity 2, 8- runner segment, 9- sectional runner box, 10- closing plate, 12- rollers, 13- blocking, 14- limiters, 15- thermocouple, 16- microprocessor recorder PDOC-16, 17- computer Stanowisko zainstalowane jest na ramie kształtowej 1. Forma testowa składa się z czterech elementów. Do odtwarzania pręta skurczowego o wymiarach 20x20x250 mm służy 288

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA otwarty od góry metalowy lub piaskowy segment 2. Segment 2 dostawiany jest do przytwierdzonego do ramy 1 segmentu wlewowego 8 i zabezpieczany przed zmianą ustawienia za pomocą ograniczników 14. Na segmencie wlewowym ustawiana jest dzielona nadstawka wlewowa 9, posiadająca na płaszczyźnie podziałowej rowek do wprowadzania termoelementu płaszczowego 1mm. Termoelement wprowadzany jest tak, aby jego końcówka pomiarowa znalazła się w osi cieplnej segmentu 2. Segment 2 zamykany jest od góry pokrywą 10. Pokrywa ta posiada wkręcony uchwyt, pozwalający na jej uniesienie w dowolnej chwili czasu. Takie rozwiązanie umożliwia obserwację powstawania pęknięć w odlewie. Segment pręta skurczowego zamykany jest wkręconą na kotwę 6 płytką zamykającą 7. Kotwa wkręcona jest jednocześnie do elementu łączącego 5, połączonego przegubowo z ramieniem 4 czujnika siły 3 (czujnik siły firmy Megatron, 10kN). Drugie ramie czujnika siły, poprzez przegubowe połączenie z elementem 5 i śrubę napinającą 11, połączone jest z ramą kształtową 1. Śruba napinająca 11, dzięki blokadzie 13, pozwala na wstępną eliminacje luzu w układzie pomiaru siły. Dla ogran i- czenia wpływu siły tarcia podstawa skojarzonego z kotwą elementu łączącego opiera się na wałeczkach tocznych 12. Średnica wymienionych wałeczków zapewnia centralne położenie kotwy w przestrzeni kanału skurczowego. Kotwa 6 z płytką zamykającą 7 jest elementem wymiennym, co dzięki możliwości zmiany jej długości- zapewnia prowadzenie badań przy różnych długościach pręta skurczowego. Takie rozwiązanie umożliwia generowanie różnych naprężeń w tych samych przedziałach temperatury metalu, co jest szczególnie istotne w badaniach pęknięć na gorąco. Jak wcześniej zaznaczono, w przypadku badań skurczu liniowego zamiast czujnika siły do posiadającego kotwę elementu 5 przyłączany jest potencjometryczny czujnik przemieszczeń (Megatron MM15). W nowej wersji urządzenia dodatkowy, identyczny czujnik przemieszczeń przyłączony jest do czoła segmentu 2 formy testowej (miejsce przyłączenia wskazano strzałką). Sygnały pomiarowe z czujnika siły (przemieszczeń) i temperatury przekazywane są do połączonego z mikrokomputerem mikroprocesorowego rejestratora PDOC PRZYKŁAD POMIARU Poniżej zaprezentowano przykładowe ilustracje ewolucji skurczu liniowego aluminium hutniczego A0 w formie piaskowej (rys. 2) i niepodgrzanej formie metalowej (rys. 3). W obu eksperymentach stosowano kotwę 6, ustalającą długość pręta skurczowego na 236 mm. W części (a) obu rysunków zamieszczono krzywe ilustrujące zmiany w czasie: temperatury metalu T(t) i jej pochodnej T (t), skurczu bezwzględnego S(t) i jego pochodnej S (t) oraz wydłużenia formy dl(t). W części (b) zestawiono linie temperaturowych zmian skurczu względnego S(T) i jego pochodnej po temperaturze S (T). Na rysunkach zaznaczono symbolami literowymi charakterystyczne etapy eksperymentu ( L początek krzepnięcia odlewu, B koniec wydłużania się odlewu, C koniec wydłużania się formy). Dla tak wprowadzonych oznaczeń wydrukowano wartości odp o- wiadających im wartości czasu, temperatury i zmian wymiarowych. 289

4 a) T (t) T(t) S(t) S (t) dl(t) b) S (T) S(T) Rys. 2. Skurcz liniowy aluminium w formie piaskowej: a) temperatura metalu T(t) i pochodna T (t), skurcz S(t) i pochodna S (t), termiczne wydłużenie formy dl(t); b) skurcz względny S(T) i jego pochodna po temperaturze S (T). Fig. 2. Linear contraction of aluminum in sand mould: a) metal temperature T(t) and derivative T (t), contraction S(t) and derivative S (t), thermal mould expansion dl(t); b) relative contraction S(T) and its temperature derivative S (T). 290

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) T (t) S (t) S(t) T(t) dl(t) b) S (T) S(T) Rys. 3. Skurcz liniowy aluminium w formie metalowej: a) temperatura metalu T(t) i pochodna T (t), skurcz S(t) i pochodna S (t), termiczne wydłużenie formy dl(t); b) skurcz względny S(T) i jego pochodna po temperaturze S (T). Fig. 3. Linear contraction of aluminum in metal mould: a) metal temperature T(t) and derivative T (t), contraction S(t) and derivative S (t), thermal mould expansion dl(t); b) relative contraction S(T) and its temperature derivative S (T). 291

6 Zamieszczone rysunki wyraźnie pokazują, że - zarówno w przypadku formy piaskowej, jak i metalowej - rozszerzalność przedskurczowa odlewu związana była z rozszerzaniem się formy testowej. W obu przypadkach przyrost długości odlewu był jednak nieco mniejszy od przyrostu długości formy w tym samym czasie. W formie piaskowej odlew zaczął się efektywnie kurczyć począwszy od temperatury 587 C, a w formie metalowej już w zakresie temperatury likwidus. 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 met a- lowej. 4. PODSUMOWANIE Przedstawiony w pracy materiał potwierdził konieczność uwzględniania zmian wymiarowych formy w badaniach ewolucji skurczu i naprężeń skurczowych w odlewach. Przedskurczowe rozszerzanie się odlewu w początkowym okresie krzepnięcia, interpretowane w literaturze wydzielaniem się gazów z metalu, powinno się wyjaśniać jego plastycznym odkształcaniem przez rozszerzającą się formę. LITERATURA [1] Mutwil J.: Urządzenie do badania naprężeń odlewniczych, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 44, 2000, s [2] Mutwil J.: Skurcz liniowy aluminium i siluminów dwuskładnikowych w formach metalowych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 20, nr 1, 2000, s W stanowisku wykorzystano mikroprocesorowy rejestrator wykonany w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach SUMMARY STAND FOR INVESTIGATION OF LINEAR CONTRACTION AND SHRINKAGE STRESSES IN CASTINGS A stand for examination of the development of linear contraction and shrinkage stresses in casting has been described. The microprocessor recorder has been used for registering of measure signals. Exemplary results of linear contraction development in aluminum have been presented. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 292