DIAGNOZOWANIE PROCESÓW KRYSTALIZACJI METALI NIEŻELAZNYCH STOSOWANYCH W BUDOWIE MASZYN

Transkrypt

1 11/18 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 DIAGNOZOWANIE PROCESÓW KRYSTALIZACJI METALI NIEŻELAZNYCH STOSOWANYCH W BUDOWIE MASZYN M. DUDYK 1 Wydział Budowy Maszyn i Informatyki, Akademia Techniczno - Humanistyczna, ul. Willowa 2, Bielsko-Biała. STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań procesów krystalizacji stopów: aluminium (AK9, AK65, AK132), miedzi (MO5, B555) i cynku Z41. Przebieg procesów krystalizacji zarejestrowano w postaci zapisu graficznego krzywych termicznych t = f(τ) i przewodności elektrycznej σ = f(τ) oraz ich pierwszych pochodnych. Opracowane programy komputerowe pozwalają określić w charakterystycznych punktach (pikach) na krzywych krystalizacji powstające fazy tworzące strukturę odlewu. Przeprowadzona analiza wartości liczbowych zaznaczonych kursorami umożliwia określenie stopienia uszlachetnienia badanych stopów. Key words: aluminium - silicon alloys, copper alloy, mazak, ZnAl alloy, crystalization proceses, ATD AED method. 1. WPROWADZENIE Odlewane części maszyn są przez konstruktorów szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Dla zapewnienia wysokiej jakości odlewów wytwarzanych wielkoseryjnie powoduje konieczność przeprowadzania szybkiej i dokładnej kontroli procesów krystalizacji, wpływających bardzo znacząco na właściwości mechaniczne i technologiczne stopów [1-3]. Obecnie najczęściej do kontroli procesów krystalizacji stopów i kompozytów odlewanych stosowane są metody termiczne: Analiza Termiczna (AT), Analiza Termiczno-Różnicowa (DTA) i Analiza Termiczno-Derywacyjna (ATD) [4,6,7,8] Dla umożliwienia dokładnej kontroli skomplikowanych procesów krystalizacji stopów i kompozytów odlewanych opracowano jednoczesną metodę; Analizę Termiczno - Derywacyjną i Elektro - Derywacyjną [5]. W wymienionych termicznych metodach (AT, DTA i ATD), zasada pomiaru oparta jest na rejestrowaniu zjawisk cieplnych zachodzących w procesach krystalizacji stopów. W związku z tym punktowa rejestracja 1 Dr inż. M.Dudyk, mdudyk@ath.bielsko.pl 77

2 temperatury nie stwarza możliwości na bardzo dokładną ocenę efektów zastosowanych procesów topienia (np. rafinacji, modyfikacji, filtracji itp.). bardziej dokładnie w porównaniu z metodami termicznymi, można rejestrować procesy krystalizacji wykorzystując przepływ elektronów swobodnych (przewodnictwa) w badanej próbce. Przez połączenie głównych zasad pomiarowych metody termicznej i elektrycznej zjawisk cieplnych i elektrycznych jednocześnie zachodzących w procesach krystalizacji stopów, opracowano metodę Analizy Termiczno-Derywacyjnej i Elektro-Derywacyjnej (ATD i AED). 2. METODYKA BADAŃ I WYNIKI Prace naukowe teoretyczne i aplikacyjne [5,9] dotyczące metody ATD-AED obejmują głównie zagadnienia związane z procesami krystalizacji stopów aluminium. Przedstawione w artykule wyniki badań dotyczą stopów metali nieżelaznych. Zamieszczone zapisy graficzne procesów krystalizacji otrzymano na opracowanym stanowisku badawczym metody ATD-AED, którego widok przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Widok stanowiska badawczego jednoczesnej metody ATD-AED Fig. 1. View of the research stand for simultaneous ATD-AED method Badanie kinetyki krystalizacji stopów metali nieżelaznych metodą ATD-AED przeprowadzono na stopach: aluminium AlSi9Mg (AK9), AlSi6Cu4 (AK64), Al- Si12Cu2Fe (AK132); miedzi CuZn39Pb2 (MO59); CuSn5Zn6Pb5 (B555) i cynku ZnAl4Cu1 (Z41). Opracowany program do obróbki danych zarejestrowanych krzywych termicznych t i przewodności elektrycznej σ służy do graficznego i tablicowego przedsta- 78

3 wienia temperatury t = f(τ) i jej pochodnej dt/dτ = f(τ) oraz przewodności elektrycznej σ = f(τ) i jej pochodnej dσ/dτ = f(τ), dla charakterystycznych punktów (pików) określonych na zapisie graficznym procesów krystalizacji badanych stopów. Na rysunku 2 przedstawiono zapis graficzny procesów krystalizacji modyfikowanego strontem siluminu AK9 odlewanego do kokili. Różniące się kinetyki krystalizacji, w porównaniu ze stopem AK9 dla siluminów wieloskładnikowych podeutektycznego AK64 i okołoeutektycznego AK132 odlewanych do form ceramicznych, zamieszczono na rysunku 3. Rys. 2. Okno do obróbki i analizy zapisu graficznego metody ATD-AED oraz krzywe krystalizacji stopu AK9 Fig. 2. Window for processing and analysis of graphical notation of ATD-AED method together with the curve of crystallisation of AK9 alloy Bardzo znaczny wpływ na zwartość i jednorodność struktury odlewów wytwarzanych ze stopów miedzi powodują odpowiednie sposoby sterowania przebiegiem ich procesów krzepnięcia [4]. Zapisy graficzne przebiegów krzepnięcia mosiądzu i brązu, odlewanego do form ceramicznych, według metody ATD-AED ilustruje rysunek 4. 79

4 a) b) Rys. 3. Krzywe krystalizacji siluminów wieloskładnikowych odlewanych do formy ceramicznej: a stop AK64 modyfikowany strontem, b stop AK132 niemodyfikowany Fig. 3. Curves of crystallisation of multi-component silumins, casted in ceramic moulds: a AK64 alloy modified with strontium, b bronze B555 Podobnie jak dla stopów miedzi również i dla odlewanych stopów cynku, odpowiednio przeprowadzone zabiegi metalurgiczne bardzo znacząco poprawiają właściwo- 80

5 ści mechaniczne, ale również ograniczają zmiany wymiarowe i skłonność do korozji [10]. a) b) Rys. 4. Krzywe krystalizacji niemodyfikowanych stopów miedzi, odlewanych do form piaskowych: a mosiądz MO59, b brąz B555 Fig. 4. Crystallisation curves of unmodified copper alloys, casted in sand mould: a - brass MO59, b - bronze B555 81

6 Opracowany zapis graficzny przebiegu procesów krystalizacji znalu Z41, odlewanego do kokili z zaznaczonymi pikami krystalizacji eutektyki potrójnej (η + β + ε), zamieszczono na rysunku 5. Rys. 5. Krzywe krystalizacji niemodyfikowanego znalu Z41 odlewanego do kokili Fig. 5. Crystallisation curves of unmodified mazak Z41, casted in metal mould Zastosowane zabiegi metalurgiczne w procesach topienia stopów, wpływają w tym samym czasie na zmiany temperatury t i przewodności elektrycznej σ. Wielkość i charakter tego wpływu widoczny jest w zmianach zależności temperatury krystalizacji t = f(τ) i przewodności elektrycznej σ = f(τ) dla badanych siluminów i znalu, przedstawionych na rysunku PODSUMOWANIE Zastosowane w przedstawionych badaniach procesów krystalizacji stopów metali nieżelaznych, jednocześnie dwie niezależne metody pomiarowe oparte na zjawiskach cieplnych i elektrycznych stworzyły możliwość bardziej szczegółowej interpretacji otrzymanych wyników z przeprowadzonych badań. Analiza charakterystycznych punktów (pików) otrzymanego zapisu graficznego krzywych krystalizacji: t = f(τ); σ = f(τ) i ich pochodnych dσ/dτ = f(τ); dσ/dτ = f(τ), pozwala określić powstałe zmiany w krzepnącej próbce badanego stopu. Pomiary temperatury krystalizacji t =f(τ) i przewodności elektrycznej σ = f(τ) zmieniających się w czasie krystalizacji stopu ilustrują powstawanie faz tworzących strukturę odlewu. Przedstawione na zapisach graficznych krzywe krystalizacji metody ATD-AED - przykładowo zaznaczone kursorami - ilustrują zarejestrowane piki pozwa- 82

7 lające określić rodzaj wykrystalizowanych faz (rys. 2-5), oraz stopień uszlachetnienia badanego stopu. Rys. 6. Zmiany temperatury t i przewodności σ w czasie krystalizacji siluminów i znalu odlewanych do formy ceramiczne j Fig. 6. Change of temperature t and electrical conductivity σ during crystallisation of silumins and mazak, casted in ceramic mould Odczytane wartości liczbowe na krzywych stygnięcia t i przewodności elektrycznej σ ( pikach) umożliwiają w połączeniu z właściwościami mechanicznymi opracowanie odpowiednich równań regresji. Na podstawie otrzymanych wyników badań, opracowane statystycznie równania regresji posłużą do oceny wpływu zastosowanych procesów topienia i odlewania (rafinacja, modyfikacja, filtracja) na jakość badanych stopów Opracowana jednoczesna metoda ATD AED, może być stosowana w badaniach naukowych do rejestracji i analizy złożonych procesów krystalizacji metali i stopów. Natomiast w praktyce odlewniczej do oceny efektów uszlachetniania stopów można z powodzeniem stosować tylko jedną z dwóch opracowanych metod - ATD lub AED. LITERATURA [1] M. Dudyk, K. Kosibór: Krystalizacja, struktura oraz właściwości technologiczne stopów i kompozytów aluminiowych. Archiwum Odlewnictwa. Rocznik 3. Nr9.Wyd. PAN, Katowice [2] M. Dudyk, K. Kosibór: Krystalizacja i skurcz stopu AK9 (AlSi9Mg). Archiwum Odlewnictwa. Rocznik 4. Nr14. Wyd. PAN, Katowice

8 [3] M. Dudyk: Filtracja stopu AK9 (AlSi9Mg ). Archiwum Odlewnictwa. Rocznik 5.Nr17. Wyd. PAN, Katowice [4] F. Romankiewicz: Krzepnięcie miedzi i jej stopów. Wyd. PAN, Poznań [5] M. Dudyk: Przewodność elektryczna właściwa w procesach krystalizacji siluminów. Budowa i Eksploatacja Maszyn Zeszyt 38. Wyd. Filia Politechniki Łódzkiej w Bielsku Białej [6] D. Schultze: Termiczna Analiza Różnicowa.Wyd. WNT, Warszawa [7] A. Namysło: Ocena przebiegu procesu segregacji składników podczas krzepnięcia objętościowego na podstawie krzywych DTA.Krzepnięcie Metali i Stopów. Zeszyt 20. Wyd. PAN, Katowice [8] S. Jura, Z. Jura: Teoria metody ATD w badaniach stopów Al. Krzepnięcie Metali i Stopów. Zeszyt 28. Wyd. PAN, Katowice [9] M. Dudyk: Opracowanie nowej technologii uszlachetniania stopu AlSi9Cu3Fe przeznaczonego na odlewy kokilowe złącza elastycznego. Projekt Celowy. FSNT NOT,Nr II 5/P 11/2005. [10] C. Adamski, Z. Bonderek, T. Piwowarczyk: Mikrostruktury odlewniczych stopów miedzi oraz cynku. Wyd. Śląsk, Katowice DIAGNOSIS OF SOLIDIFICATION PROCESSES OF ALLOYS OF NON- FERROUS METALS USED IN MACHINE DESIGN SUMMARY The paper presents the result of research on processes of crystallisation of alloys: aluminium AK9, AK64, AK132; copper MO59, B555 and zinc Z41. The processes of crystallisation ware registered in graphical notation of thermal curves t=f(τ) and electrical conductivity - σ = f(τ) as well as their first derivatives. Developed computer programs enable to determine in characteristic points (peaks) of crystallisation curves the phases building the structure of the cast. The carried out analysis of numerical values marked with cursors enables to determine the degree of purification of alloys. Pracę wykonano w ramach realizacji Projektu Badawczego Nr 3T08B04727 Ministerstwa Edukacji i Nauki. Recenzował: Prof. Przemysław Wasilewski 84