53/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ZDOLNOŚĆ SILUMINÓW DO ODWZOROWANIA FORMY J. MUTWIL 1, D. NIEDŹWIECKI 2 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań zdolności polskich siluminów do odwzorowania formy. Przepływ realizowano w pionowym, metalowym kanale φ 16 mm. Key words: silumin, mould surface reproducibility 1. WPROWADZENIE Klasyczne, technologiczne próby do oceny zdolności metali i stopów do odwzorwania formy [1] nie pozwalają na ocenę temperatury metalu, w której traci on wymienioną zdolność. Wartość tej temperatury można jednak ocenić, jednocześnie rejestrując krzywą przepływu (odniesiona do czasu krzywa zmian położenia czoła strugi względem wlotu do kanału) metalu w odpowiednio ukształtowanym kanale formy oraz temperaturę czoła strugi. Warunkiem na to by temperatura czoła strugi w momencie zauważalnego pogorszenia odwzorowania formy mogła być uznana za poszukiwaną temperaturę jest to, by w obszarze czoła strugi tworzył się trwały, nie ulegający ponownemu nadtopieniu, naskórek fazy stałej. Wspomniany warunek spełnia próba, w której przepływ odbywa się w kanale formy metalowej, a kryterium odtwarzalności stanowi odwzorowanie przez badany metal wąskiego rowka wyfrezowanego na całej długości kanału. Zauważyć należy, że w tego typu próbie mało istotne jest ciśnienie zalewania, istotne jest tu bowiem tylko ciśnienie panujące w obszarze czoła strugi (pojedyncze centymetry słupa metalu). W omawianym przypadku szczególnego znaczenia nabiera gęstość ciekłego metalu i uwarunkowana typem krzepnięcia wytrzymałość tworzącego się naskórka fazy stałej. W pracy [2] przedstawiono uzyskane tą metodą wyniki badań zdolności do odwzorowania formy przez aluminium i 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 2 mgr inż., d.niedzwiecki@iipm.uz.zgora.pl
403 dwuskładnikowe stopy Al - Si. Analogiczne badania dla siluminów technicznych: AK52, AK64, AK7, AK9, AK11, AK12, AK18, AK20, przedstawiono poniżej. 2. OPIS BADAŃ Poniżej przedstawiono schemat stanowiska do badania zdolności metali i stopów do wypełniania form odlewniczych techniką odlewania niskociśnieniowego. Zastosowane tu rozwiązania zapewniają wcześniej postulowaną, jednoczesną rejestrację przebiegu przepływu i temperatury czoła strugi w okresie zalewania kanału formy próbnej 1. Rys. 1. Stanowisko do badań lejności; (a) - schemat idei pomiarowej: 1- termoelement, 2- elektroda kontaktowa; (b) - schemat stanowiska: 1-tuleja testowa, 2-wnęka wstępna, 3- czop, 4- stalowa komora pieca, 5-pokrywa komory, 6- grafitowa rura, 7- liniowy silnik krokowy, 8- ruchoma elektroda kontaktowa, 9- termoelement, 10- czujnik ciśnienia, 11- wlot i wylot powietrza, 12- sterownik silnika, 13- mikroprocesorowy rejestrator, 14- mikrokomputer Fig. 1. Stand for fluidity investigation; (a) - scheme of measuring idea: 1- thermocouple, 2- contact electrode; (b) scheme of stand : 1-test sleeve, 2-entrance cavity, 3- peg, 4- furnace steel chamber, 5-chamber s cover, 6- graphite pipe, 7- linear stepper motor, 8- movable contact electrode, 9- thermocouple, 10- pressure sensor, 11- outlet and inlet of air, 12-motor controller, 13- microprocessor recorder, 14- microcomputer Poza temperaturą czoła strugi na stanowisku, którego pełniejszy opis przedstawiono w pracy [3], można rejestrować temperaturę w jedenastu wybranych, stałych punktach
404 układu metal-forma (temperatura we wnęce wstępnej, temperatura w 9-ciu punktach ścianki kanału przepływowego). W badaniach zdolności do odwzorowania formy stosowana jest wykonana ze stali WCL forma próbna z kanałem przepływowym o średnicy φ 16 mm. Wzdłuż całej wysokości kanału (180 mm) na płaszczyźnie podziałowej formy wyfrezowany jest rowek 1x1 mm, którego odtworzenie przez badany metal jest analizowane. Zawartość typowych w badanych siluminach pierwiastków określono w Hucie Aluminium Konin (tabela 1). Tabela 1. Zawartość procentowa niektórych pierwiastków w badanych siluminach Table 1. Percentage of some alloying elements in investigated silumins Stop Procentowa zawartość pierwiastków Si Fe Cu Mg Mn Ni AK52 5,408 0,617 3,511 0,348 0,429 0,045 AK64 6,509 1,075 3,940 0,198 0,342 0,063 AK7 7,084 0,762 0,104 0,268 0,163 0,009 AK9 9,830 0,459 0,147 0,282 0,354 0,006 AK11 11,942 0,637 0,218 0,094 0,230 0,008 AK12 12,240 0,456 1,157 0,913 0,040 1,049 AK18 17,779 0,252 1,292 0,874 0,027 1,015 AK20 21,568 0,230 1,331 0,469 0,233 1,100 Przepływ realizowano w formach podgrzanych do 150 ºC. W badaniach stosowano prędkości zalewania z przedziału: 2-16 cm/s. We wszystkich eksperymentach ciśnienie robocze w komorze pieca było na poziomie 14 kpa, a prędkość zalewania ustalano poprzez odpowiednie ustawienie czopa 3 regulującego wysokość szczeliny wlewu doprowadzającego. Stopy zalewano, stosując przegrzania w zakresie: 0-200 deg. W pojedynczym pomiarze, po uzyskaniu przez metal ustalonej temperatury, zakładano na wnękę wstępną 2 podgrzaną formę testową 1. Po zainstalowaniu termoelementów i ustaleniu szczeliny doprowadzającej wprowadzano elektrodę kontaktową 8 do przestrzeni kanału, tak - aby końcówka jej termoelementu była na poziomie szczeliny doprowadzającej. Po otwarciu zaworu 11 metal wpływał do wnęki wstępnej i kanału przepływowego, a pierwsze jego zetknięcie z termoelementem elektrody kontaktowej automatycznie uruchamiało rejestrację sygnałów pomiarowych. Przykładowy odlew pręta φ16 ze wskazanymi strzałkami miejscami, w których nastąpiła utrata zdolności do odwzorowania formy pokazano na rysunku 2. Położona niżej strzałka wskazuje na miejsce, od którego metal wypełniał rowek już tylko częściowo. Od miejsca wskazanego drugą strzałką metal praktycznie do rowka już nie wpływał. Przykład rejestrowanych i analizowanych w badaniach zdolności do wypełniania form sygnałów przedstawia rysunek 3. Na rysunku ukazano temperaturę czoła strugi T(t) wraz z pochodną T (t) oraz krzywą przepływu h(t) i jego prędkość v(t), a dużymi literami oznaczono charakterystyczne etapy procesu zalewania i krystalizacji. Wskazują one na: A- wpłynięcie metalu do wnęki wstępnej, B- wpłynięcie
405 metalu do kanału, D- przechłodzenie eutektyczne, E- temperaturę eutektyczną, K- koniec przepływu, L- temperaturę likwidus, O- utratę zdolności do odwzorowania. W polu rysunku wydrukowano wartości temperatury i położenia czoła strugi odpowiadające wybranym punktom charakterystycznym oraz wartość średniej prędkości przepływu (v-bk). Na rysunku naniesiono też poziome linie punktowane obrazujące zakres temperatur krzepnięcia stopu w próbniku ATD (TL=675 ºC, TE=565 ºC). Temperatury te są wyraźnie wyższe od swych odpowiedników w przepływie. Rys. 2. Przykład odlewu Fig. 2. Example of casting T (t) h(t) T(t) v(t) Rys. 3. Przepływ stopu AK20; krzywe: T(t), T (t), h(t), v(t). Fig. 3. Flow of AK20 alloy: T(t)- stream head temperature, T (t) time derivative of T(t), h(t) flow curve, v(t) flow rate.
406 W tabeli 2 zestawiono dla wszystkich badanych stopów parametry określające ich zdolność do pełnego odwzorowania formy, określoną wg kryterium położenia pierwszej strzałki. Aby ograniczyć wielkość tabeli podano w niej jedynie wartość średnią analizowanych parametrów i przedział ufności określony z rozkładu t-studenta dla poziomu ufności α=0.9. Znaczna szerokość przedziałów ufności przy przyjętym poziomie ufności świadczy o dużych rozrzutach analizowanych wielkości. Na rysunku 3 pokazano na przykład ilustrację przepływu siluminu AK20, który utracił zdolność do odtwarzania już w stanie przegrzanym, chociaż w większości pozostałych przypadków stop ten odtwarzał formę poniżej równowagowej temperatury likwidus (tabela 2). Wymieniona zdolność do odtwarzania poniżej równowagowej temperatury likwidus charakterystyczna jest jedynie dla siluminu AK20, pozostałe stopy traciły odtwarzalność wyraźnie powyżej tej temperatury. W relacji do rzeczywistej temperatury likwidus odnotowanej dla metalu płynącego w formie również silumin AK20 tracił zdolność do odtwarzania w stanie przegrzanym. Rysunek 3 pokazuje na przykład, że rzeczywista temperatura likwidus w tym eksperymencie była niższa od równowagowej aż o 38 deg. Znaczne obniżenie temperatury likwidus jest charakterystyczne dla przepływu siluminów nadeutektycznych w kanałach form metalowych, co przedstawiono w pracy [4] bieżącego numeru Archiwum Odlewnictwa. Tablela 2. Charakterystyka zdolności badanych stopów do odwzorowania formy Table 2. Characteristic of mould surface reproducibility of investigated alloys T odw, deg h odw, cm h odw /h Stop zal Ilość prób w. śr. p. ufności w. śr. p. ufności w. śr. p. ufności AK52 40,94 23,49 58,40 1,36 1,04 1,68 0,12 0,11 0,13 9 AK64 51,47 30,77 72,16 1,23 0,82 1,64 0,10 0,08 0,13 9 AK7 44,76 21.07 68,46 2,50 1,47 3,52 0,20 0,13 0,26 9 AK9 56,06 29,66 82,46 1,57 0,86 2,28 0,11 0,07 0,14 9 AK11 42,77 16,17 69,37 2,60 1,49 3,71 0,18 0,14 0,22 9 AK12 59,27 25,91 92,63 1,43 0,66 2,20 0,10 0,06 0,15 9 AK18 39,67 9,81 69,52 1,78 1,02 2,54 0,21 0,09 0,34 9 AK20-6,65-16,89 3,59 2,63 1,88 3,38 0,25 0,22 0,29 9 T odw = T odw T L, T L temperatura likwidus w próbie ATD, T odw temperatura utraty zdolności do odwzorowania, h odw, h zal wysokość odwzorowania i wysokość zalania, w.śr., p. ufności wartość średnia i przedział ufności, Poziom ufności α = 0.9. Porównanie wysokości odtwarzania, bądź jej stosunku do wysokości zalania wykazało, że najgorzej odtwarzały formę siluminy AK52, AK64 i AK12. Ich odtwarzalność powierzchni formy była jednak istotnie lepsza niż siluminów dwuskładnikowych o podobnej koncentracji krzemu [2], co można wiązać między innymi z większą gęstością siluminów technicznych. Dobrą i znacznie lepszą odtwarzalność w stosunku do stopów
407 dwuskładnikowych odnotowano dla siluminów AK7 i AK11. Gorzej od swojego odpowiednika dwuskładnikowego odwzorował formę silumin AK9. Dobrą odtwarzalność miały siluminy nadeutektyczne, aczkolwiek istotnie niższą niż ich odpowiedniki dwuskładnikowe o podobnej koncentracji krzemu [2]. W tym przypadku negatywne oddziaływanie dodatków stopowych można jedynie tłumaczyć ich wpływem na krystalizację i wynikający z niej wzrost wytrzymałości naskórka fazy stałej. 3. PODSUMOWANIE W zastosowanej próbie zdolność do odtwarzania determinowana jest w obszarze czoła strugi, gdzie panuje zawsze nieznaczne nadciśnienie i jest silnie zależna od napięcia powierzchniowego i błonowego metalu, jego gęstości i wytrzymałości warstwy zakrzepłej. Dla form, w których możliwe jest ponowne nadtapianie zakrzepłej warstewki fazy stałej decydującą rolę może mieć ciśnienie zalewania i ustalone tu dla poszczególnych stopów relacje odtwarzalności mogą być inne. LITERATURA [1] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych, WNT, Warszawa (2000). [2] Mutwil J., Janowski R.: Zdolność dwuskładnikowych stopów Al-Si do odwzorowania formy, Archiwum Odlewnictwa,vol. 2, nr 3, 2002, (w druku). [3] Mutwil J., Żygadło M., Janowski R., Niedźwiecki D.: Nowe stanowisko do badania lejności, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 44, 2000, s. 497-502. [4] Mutwil J., Niedźwiecki D.: Temperatura lejności zerowej siluminów, Archiwum Odlewnictwa 4, s. 173-178. Badania prowadzono w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B 032 16 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach 1999-2001. SUMMARY SILUMINS MOULD SURFACE REPRODUCIBILITY The investigations results of mould surface reproducibility of polish silumins have been presented. The metal flow was realized in vertical metal channel of 16 mm diameter. Recenzował Prof. Stanisław Jura