GEOMETRIA NADTOPIEŃ I WSPÓŁCZYNNIKI TERMICZNE PROCESU NADTAPIANIA ODLEWÓW ZE STOPU AZ91

Transkrypt

1 34/18 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 GEOMETRIA NADTOPIEŃ I WSPÓŁCZYNNIKI TERMICZNE PROCESU NADTAPIANIA ODLEWÓW ZE STOPU AZ91 K.N. BRASZCZYŃSKA-MALIK 1, M. MRÓZ 2 1 Politechnika Częstochowska, WIPMiFS, Instytut Inżynierii Materiałowej, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa 2 Politechnika Rzeszowska, Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu parametrów technologicznych procesu nadtapiania metodą GTAW na geometrię nadtopień oraz sprawność cieplną i sprawność topienia odlewów ze stopu AZ91. Stosowano prędkość skanowania łukiem elektrycznym 200, 400 i 800 mm/min oraz natężenie prądu i 300A. Określono szerokość i głębokość nadtopień. Sprawność cieplną i sprawność topienia określono z wykorzystaniem badań kalorymetrycznych. Wyznaczono związki pomiędzy geometrią nadtopień, ilością ciepła wprowadzonego do nagrzewanej próbki, sprawnością cieplną, ilością ciepła niezbędnego do utworzenia nadtopień i sprawnością topienia, a parametrami technologicznymi procesu nadtapiania. Key words: AZ91alloy, GTAW process, fusion geometry, thermal coefficients 1. WPROWADZENIE Stopy Mg-Al w stanie odlanym charakteryzują się budową dendrytyczną i silną skłonnością do segregacji pierwiastków stopowych. Struktura tych stopów składa się z roztworu stałego α i wydzieleń fazy γ-mg 17 Al 12. Faza α to roztwór stały aluminium w magnezie o ograniczonej rozpuszczalności (od 11,8% at. w około 710 K do 1% at. w 373 K). Faza γ występuje w zakresie składu 55 39,5% at. Al [1-3]. Jednym z ważniejszych narzędzi technologicznych, którym można oddziaływać na przebieg procesu krystalizacji jest szybkość chłodzenia. Poprzez oddziaływanie na przechłodzenie wpływać można na przebieg procesu krystalizacji, a tym samym na 1 dr inż., adres kacha@mim.pcz.czest.pl 2 dr inż., adres mfmroz@prz.rzeszow.pl 221

2 strukturę pierwotną odlewu. Gruboziarnista mikrostruktura jest niekorzystna z uwagi na niskie właściwości użytkowe odlewów, dlatego wykonuje się szereg zabiegów technologicznych na ciekłym stopie oraz stwarza warunki chłodzenia sprzyjające jej rozdrobnieniu. Jedna z niekonwencjonalnych metod rozdrabniania struktury stopu polega na nadtapianiu powierzchni odlewu skoncentrowanym strumieniem ciepła, na przykład plazmą łuku elektrycznego, z następnym szybkim chłodzeniem [4-6]. Wykorzystanie w tym celu urządzeń stosowanych w metodzie GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) jest uzasadnione ekonomicznie. Urządzenia te charakteryzują się wysokim stopniem doskonałości i są tanie, a poprzez to ogólnie dostępne. Dobór parametrów procesu nadtapiania, z uwagi na najlepsze wykorzystanie energii łuku elektrycznego, wymaga oceny sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia. Energia wygenerowana na elektrodzie i w łuku elektrycznym jest tylko w części wykorzystywana do utworzenia nadtopienia. Część tej energii przepływa w głąb nagrzewanego materiału, a część jest przekazywana do otoczenia. Sprawność cieplna procesu wskazuje jaka część energii wydzielonej na elektrodzie i w łuku elektrycznym została przejęta przez nagrzewany materiał [7]. Sprawność topienia określa jaka część energii dostarczonej do nagrzewanego materiału została zużyta na utworzenie nadtopienia [7]. Dobór parametrów nadtapiania powinien być prowadzony tak, aby maksymalizować wartość sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia. Do oceny sprawności cieplnej procesu stosowane są metody matematycznej analizy wymiany ciepła. W opracowaniach dotyczących ilości ciepła doprowadzonego do powierzchni nadtopionego elementu uzyskane rezultaty, w zależności od przyjętych założeń, różnią się miedzy sobą [7]. Dlatego duże znaczenie mają wyniki badań doświadczalnych. W tym celu wykonuje się pomiary kalorymetryczne [8-9]. Pozwalają one na ocenę sprawności cieplnej procesu, która z kolei jest niezbędna dla oceny sprawności topienia. W literaturze technicznej spotyka się opracowania dotyczące sprawności cieplnej i sprawności topienia w odniesieniu do stopów żelaza [8,10,11,12], stopów aluminium [13,14] lub stopów kobaltu [15]. Brak jest takich opracowań w odniesieniu do stopów magnezu. Dlatego celem pracy była ocena geometrii nadtopień oraz określenie sprawności cieplnej i sprawności topienia procesu GTAW, podczas nadtapiania powierzchniowego odlewów ze stopu AZ METODYKA BADAŃ Materiał badawczy stanowił stop magnezu AZ91. Do badań przygotowano próbki w kształcie prostopadłościanów o wymiarach 250x50x15mm. Nadtapianie powierzchniowe przeprowadzono metodą GTAW, przy wykorzystaniu urządzenia Faltig 315 AC/DC. Średnica elektrody wynosiła 2,4 mm. Atmosferę ochronna stanowił argon. Stosowano natężenie prądu spawania I = 100, 200 lub 300 A oraz prędkość skanowania łukiem elektrycznym v s = 200, 400 lub 800 mm/min. Nadtopienia i badania kalorymetryczne prowadzono z zastosowaniem kalorymetru przepływowego [14], przy przepływie gazu ochronnego 20 l/min oraz 222

3 takim przepływie wody chłodzącej, który gwarantował zanik pęcherzy pary wodnej, na granicy płytka-woda. Przepływ wody w kalorymetrze ustalono na poziomie 7,5 l/min. W wyniku badań kalorymetrycznych określono ilość ciepła wprowadzonego do nagrzewanej próbki Q kal. Z płytek po badaniach kalorymetrycznych wycięto próbki w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej nadtopień. Na próbkach tych, po wykonaniu zgładów metalograficznych, zmierzono szerokość i głębokość nadtopień. Sprawność cieplną procesu liczono z zależności: kal. η = (1) UQ I t gdzie: U jest napięciem łuku elektrycznego, I jest natężeniem prądu, t jest czasem skanowania łukiem elektrycznym. Sprawność topienia liczono z zależności: Vn ρ Q T2 H η m =, Q = + (2) H QF Q c pdt kal. gdzie: V n to objętość nadtopienia, ρ gęstość, Q H jest to ciepło potrzebne do nagrzania jednostkowej objętości stopu z temperatury otoczenia T 1 do temperatury likwidus T 2 oraz jego stopienia, Q F jest to ciepło topnienia, c p - ciepło właściwe. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Mikrostrukturę stopu AZ91 w obszarze nadtopienia przedstawiono na rysunku 1. Wykreślne przedstawienie wyników pomiarów geometrii nadtopień w zależności od parametrów procesu nadtapiania przedstawiono na rysunku 2. T1 Rys. 1. Mikrostruktura stopu AZ91. Powiększenie 80x Fig. 1. The microstructure of AZ91 alloy. Magnification 80x 223

4 a) b) Rys. 2. Wpływ natężenia prądu i prędkości skanowania łukiem elektrycznym na szerokość (a) i głębokość (b) nadtopień Fig. 2. The influence welding current and travel speed on the width (a) and depth (b) of fusion area Na rysunku 3 i 4 przedstawiono wyniki badań sprawności cieplnej i ilość ciepła wprowadzonego do nagrzewanego materiału oraz sprawności topienia i ilość ciepła zużytego na utworzenie nadtopienia w zależności od natężenia prądu i prędkości skanowania łukiem elektrycznym. a) b) Rys. 3. Wpływ natężenia prądu spawania i prędkości skanowania łukiem elektrycznym na ilość ciepła wprowadzonego do nagrzewanego materiału (a) i sprawność cieplną (b) Fig. 3. The total heat content of the weld sample (a) and arc efficiency (b) as a function of welding current and travel speed 224

5 a) b) Rys. 4. Wpływ natężenia prądu spawania i prędkości skanowania łukiem elektrycznym na ilość ciepła zużytego do utworzenia nadtopień (a) i sprawność topienia (b) Fig. 4. The heat input that leads to melting of the weld volume (a) and melting efficiency (b) as a function of welding current and travel speed 4. STWIERDZENIA I WNIOSKI W wyniku badań stwierdzono, że: wzrostowi natężenia prądu spawania odpowiada wzrost sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia, wzrostowi prędkości skanowania łukiem elektrycznym towarzyszy zmniejszenie sprawności cieplnej procesu i wzrost sprawności topienia, wartość współczynnika topienia, charakteryzującego udział ciepła zużytego na utworzenie nadtopienia, rośnie ze wzrostem natężenia prądu oraz ze wzrostem prędkości skanowania łukiem elektrycznym. efektem wzrostu sprawności cieplnej procesu i sprawności topienia jest wzrost ilości ciepła wprowadzonego do obszaru nadtopień, a tym samym wzrost ich szerokości i głębokości. LITERATURA [1] Braszczyńska K.N.: The microstructure of a Mg-10wt%Al alloys, Zeitschrift für Metallkunde, 93, 8, 2002, [2] Magnesium Alloys & Their Applications, WILEY-VCH, Ed. by K. Kainer, [3] Kleiner S., Ogris E., Beffort O., Uggowitzer P.J.: Semi-solid metal processing of aluminum alloy A356 and magnesium alloy AZ91: Comparison based on metallurgical considerations. Advanced Engineering Materials, Vol. 9, No. 5, 2003,

6 [4] Orłowicz W., Mróz M.: Structure and operational characteristics of castings of LM25 alloy with surface layer refined by rapid solidification. Int. Journal of Cast Metals, vol.15, No 2, 2002, [5] Orłowicz W., Trytek A.: Structural and operating aspects of rapid solidification of surface layer of spheroidal graphite cast iron. Jnt. Journal of Cast Metals, vol.16, No 5, 2003, [6] Opiekun Z., Orłowicz W.: Kształtowanie struktury warstwy wierzchniej odlewów ze stopów kobaltu plazmą łuku elektrycznego. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, Nr 5, 2004, [7] Giedt W.H., Tallerico L.N., Fuerschbach P.W.: GTA Welding efficiency: Calorimetric and temperature field measurements. Welding Journal, 68 (1), 1989, [8] Okada A.: Applications of melting efficiency and its problem. Journal of the Japan Welding Society, 46 (2), 1977, [9] Orłowicz W., Mróz M., Trytek A.: Heating efficiency in the GTAW process. Acta Metallurgica Slovaca, No 2, 1999, [10] Niels R.W., Jackson C.E.: Weld thermal efficiency of the GTAW process. Welding Journal Res. Suppl., January, 1975, [11] Orłowicz W., Trytek A.: Susceptibility of iron castings to heat absorption from an electric arc and to hardened-layer shaping. Metallurgical and Transactions A, 34A, December, 2003, [12] Wells A.A.: Heat flow in welding. Welding Journal 31(5), 1952, [13] Orłowicz W., Mróz M.: Study on susceptibility of Al-Si alloy castings to surface refinement with TIG arc. Zeitschrift für Metallkunde, 12, 2004, [14] Mróz M., Orłowicz W., Tupaj M.: Współczynniki termiczne procesu GTAW Archiwum Odlewnictwa, t.5, z.17, 2005, s [15] W. Orłowicz, A. Trytek: Nadtapianie powierzchniowe odlewów z superstopu na bazie kobaltu MAR-M509. Archiwum Odlewnictwa, nr 14, 2004, FUSION GEOMETRY AND THERMAL COEFFICIENTS OF REFINE SURFACING PROCESSS OF AZ91 ALLOY CASTING SUMMARY In this work the effect of GTAW process parameters on the fusion geometry, arc efficiency and melting efficient was presented. The surface fusion process was performed under varied electric arc travel speed 200, 400 and 800mm/min and current intensity 100, 200, and 300A. Relationships between GTAW process parameters and fusion geometry, the total heat content of the weld sample, arc efficiency as well as the heat input that leads to melting of the weld volume, melting efficiency and were analyzed. Recenzował: Prof. Władysław Orłowicz 226