PRZEPŁYW SILUMINU AK12 W KANAŁACH METALOWYCH FORM ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN PRZEPŁYW SILUMINU AK12 W KANAŁACH METALOWYCH FORM ODLEWNICZYCH J. MUTWIL 1, D. NIEDŹWIECKI 2 Wydział Mechaniczny Politechniki Zielonogórskiej STRESZCZENIE Opisano podstawowe cechy przepływu siluminu AK12 w prostych kanałach form metalowych. Oceniono wpływ parametrów zalewania, a także zabiegu modyfikacji fosforem, na cechy przepływu. Key words: alloy flow, metal mould, aluminum-silicon alloy 1. WPROWADZENIE W zamieszczonej w tym numerze Krzepnięcia Metali i Stopów pracy [1] przedstawiono propozycję parametrycznego opisu cech przepływu metali i stopów w kanałach form odlewniczych. Propozycja ta wynika z dążności do liczbowego wyrażania pewnych zachowań płynącego metalu, by uniknąć ich opisowego przedstawiania. Za przykład może tu służyć problem opisu sposobu zatrzymania przepływu (nagleraptownie - stopniowo łagodnie itd.). Dla uniknięcia tego problemu można np. wprowadzić parametr, będący stosunkiem średniej prędkości przepływu w końcowym jego etapie (np. ostatnie 10% całkowitego czasu przepływu) do średniej prędkości przepływu całkowitego. Wartość takiego bezwymiarowego parametru, któremu można nadać st o- sowną nazwę (np. wsp. sposobu zatrzymania przepływu), będzie się zawierała w przedziale (0-1). Im bliższa jedności będzie jego wartość, tym większa będzie tendencja do raptownego zatrzymania przepływu. Podobnie można rozwiązać problem opisu o d- stępstwa od równowagowego krzepnięcia metalu w okresie przepływu. Zasadnicze parametry przepływu zdefiniować można w oparciu o analizę zarejestrowan ego przebiegu przepływu i temperatury czoła płynącej strugi. Wpływ parametrów zalewania 1 dr hab. inż., prof. PZ, jmutwil@wm.pzgora.pl 2 mgr inż. 169

2 oraz zabiegu modyfikacji siluminu AK12 na wartości opisanych w pracy [1] parametrów opisany został w tym opracowaniu. 2. TECHNIKA BADAŃ Stanowisko badawcze, pozwalające rejestrować przebieg przepływu i temperaturę czoła strugi w kanale formy wypełnianej techniką odlewania niskociśnieniowego, przedstawiono w pracy [1] (bardziej wyczerpujący jego opis zamieszczono w pracy [2]). Badania prowadzono w pionowym kanale 16 mm formy metalowej. Długość kanału przepływowego wynosiła 180 mm. Formę podgrzewano wstępnie do temperat u- ry 150ºC. Metal do wnęki formy wstępnej doprowadzano szczeliną o przekroju 20 mm 2, a prędkość zalewania ustalano wielkością nadciśnienia w komorze pieca. Silumin modyfikowano zaprawą AlSr10. Przed badaniami zasadniczymi oceniono przebieg krzepnięcia siluminu w próbniku ATD (rys. 1). Do badań użyto silumin AK12 o składzie wg. atestu: % Si, 1.27% Mg, 1.02% Cu, 0.96% Ni, 0.42% Fe, inne: 0.58%, res zta Al. 3. OPIS WYNIKÓW BADAŃ Na rysunku 1 przedstawiono wykresy ATD badanego siluminu w stanie niemo - dyfikowanym i po modyfikacji strontem. Na rysunku zaznaczono charakterystyczne temperatury i wydrukowano ich wartości. W dalszych opisach temperatury te uważane będą za równowagowe. Rysunek 1 pokazuje, że w efekcie modyfikacji wzrosła dyn amika krystalizacji, a temperatury charakterystyczne, szczególnie TL, zostały podniesione. Odczytane z wykresu ATD wartości temperatur TL i TE zostały w części (a) kolejnych rysunków (2, 3, 4) przedstawione graficznie w postaci poziomych linii punktowych, leżących nieco ponad swoimi odpowiednikami w przepływie. W części (a) wspomnianych rysunków zamieszczono również krzywą temperatury czoła T(t) i jej pochodną T (t) oraz krzywą przepływu. Rysunki (b) stanowią zestawienie krzywej przepływu i jego prędkości v(t). Na rysunkach wprowadzono oznaczenia literowe charakterystycznych etapów procesu. Litery D, L, E, G mają identyczne znaczenie, jak na wykresach ATD. Pozostałe litery wskazują na: A- wpłynięcie metalu do wnęki wstępnej, B- maksymalną szybkość studzenia strugi, C- maksymalną prędkość przepływu, H- 90% przebytej przez strugę drogi, K- koniec przepływu. W polach rysunków wydrukowano niezbędne do dalszych obliczeń wartości: T, T, h, v oraz niektóre wartości średnie w przedziale (np. v-ak średnia prędkość przepływu w przedziale A-K). Wydrukowane wielkości posłużyły do obliczenia wartości parametrów wyrażających charakterystyczne cechy przepływu. W pierwszej kolejności obliczono parametry: KTL, KTE, KTG, będące stosunkiem odpowiadających sobie temperatur w przepływie i w próbniku ATD. Inne, z wyznaczonych parametrów temperaturowych, to: stosunek temperatury zatrzymania przepływu do temperatury likwidus w przepływie (KTK) oraz stosunek temperatur TD/TL w przepływie, mówiący o inicjującym krzepnięcie stopniu przechłodzenia metalu (KTP). Cechy przepływu wynikające z przebiegu krzywych i v(t) wyrażono trzema parametrami. Pierwszy (KVSM) jest stosunkiem średniej prędkości przepły- 170

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA wu w przedziale A-K do jej wartości maksymalnej. Sposób hamowania przepływu w jego końcowym etapie (powolny/raptowny) wyrażono parametrem (KV10), stanowiącym stosunek średniej prędkości przepływu w ostatnim jego etapie (ostatnie 10% całkowitej drogi przepływu) do prędkości średniej na całej drodze przepływu. Zdolność metalu do przepływu w okresie krzepnięcia odzwierciedlono stosunkiem drogi przebytej po osiągnięciu temperatury przechłodzenia (TD) do całkowitej drogi przepływu (parametr KHL). a) b) Rys. 1. Wykres ATD siluminu AK12: a) stop niemodyfikowany; b) stop modyfikowany 0.3% AlSr10 Fig. 1. The ATD diagram of silumin AK12: a) unmodified alloy; b) modified alloy by addition of 0.3% AlSr10 171

4 a) T(t) T (t) b) v(t) Rys. 2. Przepływ siluminu niemodyfikowanego wywołany ciśnieniem 16 kpa: a) T(t), T (t), ; b) i v(t) Fig. 2. Flow of unmodified silumin caused by pressure of 16 kpa: a) T(t), T (t), ; b) and v(t) 172

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) T(t) T (t) b) v(t) Rys. 3. Przepływ siluminu niemodyfikowanego wywołany ciśnieniem 14 kpa: a) T(t), T (t), ; b) i v(t) Fig. 3. Flow of unmodified silumin caused by pressure of 14 kpa: a) T(t), T (t), ; b) and v(t) 173

6 a) T(t) T (t) b) v(t) Stop: AK ,03% Sr Rys. 4. Przepływ siluminu modyfikowanego wywołany ciśnieniem 16 kpa: a) T(t), T (t), ; b) i v(t) Fig. 4. Flow of modified silumin caused by pressure of 16 kpa: a) T(t), T (t), ; b) and v(t) 174

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Obliczone wartości tak zdefiniowanych parametrów zestawiono w tablicy 1. Według założeń, parametry te powinny wyrażać sobą charakterystyczne cechy procesu związanego z przepływem metalu w kanale formy odlewniczej. Już pobieżna analiza ich wa r- tości pozwala zauważyć, że parametry temperaturowe dobrze oddają relacje pomiędzy krzepnięciem w przepływie, a równowagowym, jak również relacje wynikające z uwarunkowań eksperymentu. Podobnie sytuacja przedstawia się w przypadku dwu parametrów (KVSM, KHL) wynikających z analizy prędkości i drogi przepływu. Trzeci parametr z tej grupy (KV10), z uwagi na odmienność przepływu metalu zmodyfikowanego, przyjął wartość nieoczekiwaną (>1) i źle oddającą sposób zatrzymania strugi. Metal po modyfikacji wykazywał znacznie ograniczoną zdolność do przepływu, przejawiającą się istotnie mniejszą wysokością zalania, jak i średnią prędkością przepływu. Szczególnie znamienny był tu jednak początkowy okres przepływu, gdzie metal z trudem pokonywał opory na wlocie do kanału. Powyższe spostrzeżenie sugeruje konieczność wprowadzenia dodatkowego parametru, wyrażającego zdolność strugi do pokonywania op o- rów na wlocie do kanału. Dobrą miarą tej cechy mógłby tu być stosunek czasu przeb y- wania metalu na poziomie wlotu do kanału do całkowitego czasu przepływu. Wtedy też parametr KV10 mógłby być odnoszony jedynie do przepływu w kanale formy testowej. Tablica 1. Wartości obliczonych parametrów Table 1. Values of the calculated parameters KTL KTE KTG KTP KTK KVSM KV10 KHL wg. rys wg. rys wg. rys Wśród rozważanych tu parametrów brak jest odniesienia do klasycznie pojętej lejności. W tym przypadku należałoby wprowadzić dodatkowe dwa parametry. Pierwszy (np. KHT) byłby stosunkiem drogi przebytej przez metal w kanale do drogi maksymalnej, jaką przebyłaby struga idealna w tych samych warunkach ( wynikająca z ciśnienia wysokość zalewania). Drugi parametr (np. KVT) byłby stosunkiem średniej prędkości przepływu strugi rzeczywistej do analogicznej prędkości strugi idealnej (prędkość wyliczana z przekształceń równania Bernouliego). 4. PODSUMOWANIE Głównym przesłaniem pracy był parametryczny opis charakterystycznych cech procesu wypełniania siluminem AK12 pionowego kanału formy metalowej. W tym celu, z większej serii badań eksperymentalnych, wybrano trzy przypadki, z jednej strony d o- brze ilustrujące poprawność przyjętych definicji parametrów, z drugiej wskazujące na konieczność dokonania modyfikacji definicji parametrów odnoszących się do sposobu przepływu. 175

8 Załączony materiał empiryczny, jak i obliczone wartości proponowanych parametrów, pozwalają zauważyć, że: charakterystyczne temperatury krzepnięcia w przepływie są w stopniu wynikającym z parametrów KTL, KTE, KTG niższe od odpowiedników równowag o- wych, a modyfikacja siluminu strontem zwiększa stopień obniżenia; krystalizację w przepływie inicjuje określone parametrem KTP przechłodzenie metalu, a przepływ powstrzymywany jest w okresie przechłodzenia -praktycznie przed osiągnięciem temperatury likwidus ( KTP<KTK<=1); silumin AK12 wykazuje niewielką zdolność do przepływu w okresie krystalizacji ( KHL<=0.195); modyfikacja strontem zmniejsza zdolność stopu do przepływu i istotnie zwiększa opory na wlocie do kanału. LITERATURA [1] Mutwil J.,: Parametryczny opis cech przepływu metali i stopów w kanałach form odlewniczych, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol.?, nr??, 2001, s.???-???. [2] Mutwil J., Żygadło M., Janowski R., Niedźwiecki D.: Nowe stanowisko do badań lejności, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 44, 2000, s Badania prowadzone są w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach FLOW OF AK12-SILUMIN IN METAL CHANNELS OF FOUNDRY MOULDS SUMMARY The basic attributes of the AK12 aluminum-silicon alloys flow in the straight channels of metal moulds have been presented. The influence on the flow attributes of both the pouring parameters and the modification treatment has been estimated. Recenzował prof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński 176