13/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WYZNACZANIE MINIMALNEJ GRUBOŚCI WLEWU DOPROWADZAJĄCEGO B. BOROWIECKI 1 Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Szczecińska 70-350 Szczecin, Aleja Piastów 19, POLAND STRESZCZENIE Minimalna grubość wlewu doprowadzającego powinna być większa od trzech grubości warstwy przyściennej metalu, która zależy z kolei od łącznej grubości warstw: reologicznej i krzepnącej. Zastępczy parametr reologiczny można oznaczyć na podstawie prób lejności. Uwzględniając zastępczy parametr reologiczny i ciśnienie metalostatyczne (położenie przekroju wlewu) można określić grubość reologicznej warstwy przyściennej na przekroju danego wlewu doprowadzającego. Grubość krzepnącej warstwy przyściennej oblicza się uwzględniając czas zalewania i stałą krzepnięcia wyznaczoną z zastosowanego wzoru Chvorinova. Key words: gating system, runner, thickness of boundary layer: rheological and solidifying 1. WPROWADZENIE Przy projektowaniu układów wlewowych oblicza się najczęściej sumę przekrojów wlewów doprowadzających, przy założeniu szacunkowej wartości współczynnika sprawności przepływu. Wielkość pojedynczych wlewów doprowadzających konstruuje się w zależności od grubości ścianek odlewu. Wlewy mogą być wykonane w kształcie klina lub o stałym przekroju: trapezowym lub kołowym. Wlewy doprowadzające stosuje się najczęściej o stałym przekroju, różnice dotyczą przede wszystkim położenia wlewów doprowadzających względem belki wlewowej [3, 6, 7]. 1 dr hab. inż., Boguslaw.Borowiecki@ps.pl
96 W czasie przepływu strugi metalu (o niskim stopniu przegrzania ponad temperaturę likwidus) przez elementy układu wlewowego (wlew główny, belkę rozprowadzającą i wlewy doprowadzające), powstaje w nich warstwa przyścienna metalu. Warstwa przyścienna metalu w kanałach układu wlewowego zmniejsza czynny przekrój kanału a przez to zmniejsza współczynnik sprawności przepływu i wydłuża czas wypełniania formy odlewniczej. Campbell [3] proponuje stosowanie belki wlewowej z zakończeniem w kształcie klina. Wtedy zaprószenia niesione przez czoło strugi metalu w belce wlewowej, zostają zatrzymane, w jej części wykonanej w kształcie klina, wskutek przechłodzenia czoła strugi metalu. Wlewy doprowadzające (płaskie) o stałym przekroju przylegają wtedy do górnej powierzchni belki wlewowej. Karsay [6] umieszcza takie wlewy doprowadzające przy bocznej powierzchni belki wlewowej. Grubość płaskich wlewów doprowadzających będzie zależeć głównie od grubości warstwy przyściennej. W warstwie przyściennej metalu, w kanałach układu wlewowego, rozróżnia się warstwę reologiczną i warstwę krzepnącą, rys. 1. v φ φ(,) x τ warstwa reologiczna warstwa krzepnąca S R x (, x t,t,v, θ) Rys. 1. Warstwa przyścienna metalu: reologiczna i krzepnącą. Fig. 1. The metal boundary layer: rheological and solidifying. Grubość warstwy przyściennej metalu narasta w miarę wzrostu długości kanału i czasu przepływu. Grubość warstwy reologicznej zależy od właściwości reologicznych ciekłego metalu i ciśnienia metalostatycznego. Natomiast grubość krzepnącej warstwy przyściennej jest funkcją czasu przepływu i właściwości termofizycznych materiału formy. W testowej próbie lejności przepływ metalu zostaje zatrzymany wtedy, gdy grubość warstwy przyściennej osiągnie wartość graniczną równą promieniowi kanału ( = 2 r h ). Czas przepływu jest stosunkowo krótki, przyjmuje się, że przepływ ten charakteryzuje zastępczy parametr reologiczny θ, który zależy od temperatury, składu chemicznego stopu i ciśnienia metalostatycznego, co opisuje wzór (1) [1, 2].
97 Uwzględniając dążenia do zalewania form stopami schłodzonymi oraz metodę określania grubości warstwy przyściennej w kanałach układu wlewowego przyjęto tezę, że minimalna grubość wlewów doprowadzających musi być ponad trzykrotnie większa od grubości warstwy przyściennej metalu powstającej podczas zalewania formy. 2. BADANIA WŁASNE Przykładowe pręty żeliwne otrzymane z próby lejności Czikela [4] wykonanej w wilgotnej formie piaskowej, przedstawione na rys. 2. 260 180 10 30 45 73 105 φ 3 φ 4 φ 5 φ 6 φ 8 φ 10 φ 12 Rys.2. Zależność wysokości prętów (wysokość podana w mm) od ich średnicy (φ w mm) w wypadku żeliwa szarego (Sc = 0,94) o temperaturze zalewania 1440 K. Fig. 2. The results of rot fluidity test (height of rots depend on diameter) for grey cast iron (Sc = 0,94) and temperature pouring 1440 K. Naniesione na wykresie (rys. 2) wysokości powstałych prętów są równoznaczne z długością drogi płynięcia l metalu w kanale pionowym o danej średnicy. Zastępczy parametr reologiczny θ wyznaczano z wzoru (1) [2]: 4 R h θ p = (1) 0, 672 l gdzie: R grubość reologicznej warstwy przyściennej, h wysokość ciśnienia metalostatycznego. Współczynnik θ zależy od temperatury przegrzania powyżej krzywej likwidus i składu chemicznego stopu (określonego przez współczynnik nasycenia eutektycznego żeliwa Sc).
98 Tabela 1. Wyniki badań zastępczego parametru reologicznego żeliw na podstawie prób lejności prętowej θ p i spiralnej θ s Table 1. The results of substitute rheological parameter for grey cast iron determinate on the basis fluidity tests Sc Τ z, K Τ k, K θ p, m / s θ s, m / s 0,82 1570 1450 0,0079 0,0083 4,9 0,94 1440 1400 0,0111 0,0105 5,5 θ, % Z badań autora wynika, że minimalna grubość wlewów doprowadzających płaskich powinna być większa od trzech grubości warstwy przyściennej. Grubość tę można określić zależnością e 2 >3, gdy = R + S (rys. 1). Rys. 3. Przekrój warstwy przyściennej metalu we wlewie doprowadzającym. Fig. 3. The boundary layer section of runner. Przy projektowaniu przekrojów elementów układu wlewowego proponuje się najpierw wyznaczyć teoretyczną (przy założeniu, że współczynnik sprawności =1) wielkość przekroju a następnie obliczyć grubość warstwy przyściennej: reologicznej i krzepnącej. Przy wyznaczaniu grubości reologicznej warstwy przyściennej w określonym przekroju wlewu doprowadzającego, uwzględnia się wysokość ciśnienia metalostatycznego i właściwości reologiczne metalu. Grubość występującej tam krzepnącej warstwy przyściennej oblicza się, uwzględniając czas przepływu metalu i termofizyczne właściwości materiału formy [2]. Parametr β, który jest współczynnikiem kształtu warstwy przyściennej występującym w danym przekroju elementu układu wlewowego, obliczano z wzoru (2): β 0,672 θ = (2) 4 h W celu obliczenia współczynnika kształtu β dla wlewu doprowadzającego, do wzoru (2) podstawiono wyznaczoną z prób lejności wartość zastępczego parametru reologicznego (θ = 0,0079 m s ) oraz wysokość h (położenia wlewu
99 doprowadzającego w formie w położeniu do zalewania) równej wartości ciśnienia 0,672 0,0079 metalostatycznego (np. β = = 0, 00824 m ). 4 0,172 Stałą stygnięcia k obliczono z zastosowanego wzoru (3) [2]: gdzie: 2b f ( Tz k = π ρ m T L f m ) b f współczynnik akumulacji ciepła materiału formy, J/(s 0,5 m 2 K), T z temperatura zalewanego metalu, K, T f temperatura ścianki formy na styku z warstwa przyścienną metalu w danym czasie (T f = T k ), K, ρ m gęstość metalu, kg/m 3, L m ciepło krzepnięcia metalu, J/kg. (3) Wprowadzając do wzoru (3) temperaturę (T f = T k ) i wartości b f oznaczone metodami opisanymi w literaturze [6]. Po obliczeniach uzyskuje się wartości współczynnika k dla danego materiału formy przy określonej temperaturze zalewania. Po podstawieniu danych: stałej stygnięcia (k = 0,000248 m s ) i ustalonego czasu zalewania formy (t = 12 s) obliczono grubość warstwy krzepnącej S. W sposób analogiczny grubości warstw przyściennych (reologicznej i krzepnącej) można obliczać dla belki wlewowej i wlewu głównego. O dwie grubości warstwy przyściennej powiększa się ustaloną minimalną teoretyczną grubość wlewu doprowadzającego ( belki wlewowej lub wlewu głównego). 3. WNIOSKI 1. Wyznaczony na podstawie prób lejności zastępczy parametr reologiczny pozwala obliczyć grubość reologicznej warstwy przyściennej metalu w kanałach układu wlewowego. 2. Grubość reologicznej warstwy przyściennej metalu w kanałach układu wlewowego zależy od temperatury i składu chemicznego ciekłego stopu oraz od ciśnienia metalostatycznego w danym przekroju kanału. 3. Grubość krzepnącej warstwy przyściennej metalu daje się wyznaczyć z zadowalającą dokładnością, gdy znany jest współczynnik akumulacji ciepła materiału formy i czas przepływu metalu.
100 4. Wprowadzając do wzoru (3) temperaturę (T f = T k ) wartości b f oznaczone metodami opisanymi w literaturze [2,5] po obliczeniach uzyskuje się rzeczywiste wartości współczynnika k dla danego materiału formy przy określonej temperaturze zalewania. 5. Minimalna grubość wlewu doprowadzającego powinna być większa od trzech grubości warstwy przyściennej metalu. LITERATURA [1] BOROWIECKI B., Parametry reologiczne warstwy przyściennej metalu w kanałach form piaskowych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2004, Vol. 24, nr 3, s. 37 44. [2] Borowiecki B.: Wybrane aspekty konstrukcji układów wlewowych w formach piaskowych. Wyd. Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2005. [3] CAMPBELL J., Castings, London, Butterworth-Heinemann Ltd 1991. [4] CZIKEL J., Die Gießharfe als technologische Probe zur Prüfung der Vergießbarkzeit, Freiberger Forschungshefte, 1957, B 24-I, s. 9 21. [5] IGNASZAK Z., Virtual prototyping w odlewnictwie. Bazy danych i walidacja, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 2002. [6] KARSAY S. J., The sorelmetal book of ductile iron. Sorelmetal, Rio Tinto Iron & Titanum 2004. [7] TOMASEVIC D., Calcul des rendements hydrauliques des systemes de remplissage en moulage sable, Fonderie-Fondeur d Aujourd hui, 1999, No. 184, s. 33 41. THE DETERMINATION OF MINIMUM THICKNESS OF RUNNER GATE SUMMARY The minimum thickness of runner in gating system depends on boundary layers: rheological and solidifying. The rheological boundary layer thickness of metal has been calculated on the basis of rheological parameters defined in fluidity test. The solidifying boundary layer thickness of metal after determination of solidifying constant and flow time has been calculated. Recenzował Prof. Józef Gawroński