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 1642-5308 PARAMETRYCZNY OPIS CECH PRZEPŁYWU METALI I STOPÓW W KANAŁACH FORM ODLEWNICZYCH J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Politechniki Zielonogórskiej STRESZCZENIE Przedstawiono koncepcję opisu charakterystycznych cech przepływu metali i st o- pów w kanałach form odlewniczych za pomocą bezwymiarowych parametrów. Parametry wyznaczane są na podstawie rejestrowanych przebiegów zapełniania metalem prostych, pionowych kanałów przepływowych oraz zmian temperatury czoła strugi. Key words: alloys flow, mould, fluidity, aluminum 1. WPROWADZENIE We współczesnych badaniach zjawiska przepływu metalu w kanałach form o d- lewniczych informacja o maksymalnej drodze przepływu (lejności w ujęciu klasyc z- nym) jest niewystarczająca. Obecnie oczekuje się dodatkowo informacji na temat przebiegu przepływu oraz zmian temperatury metalu w okresie płynięcia. Dopiero jednoczesna analiza krzywej przepływu (odniesiona do czasu krzywa zmian położenia czoła strugi względem wlotu do kanału) oraz temperatury czoła strugi, p o- zwala ustalić wartość istotnych dla projektowania procesów odlewniczych parametrów takich, jak na przykład: zakres temperatur krzepnięcia w okresie przepływu, temperatura powstrzymania przepływu. Informacja o temperaturze zatrzymania przepływu może się okazać jednak niewystarczająca, dla przypadku metali, które w wymienionej temperaturze są zdolne do pokonania istotnego odcinka drogi. Wymienioną cechę p o- winno się więc wyrazić za pomocą parametru, który byłby np. stosunkiem drogi przeb y- tej w tej temperaturze do całkowitej drogi przepływu. Tak zdefiniowany parametr pozwoliłby uniknąć opisowego przedstawienia tej cechy przepływu. Podobnie, zamiast informacji o wartości temperatur krzepnięcia w okresie przepływu, powinno się operować ich stosunkami do wartości równowagowych, wyznaczanych np. w próbniku ATD. 1 dr hab. inż., prof. PZ, jmutwil@wm.pzgora.pl 163
Propozycja parametrycznego wyrażania niektórych cech przepływu metali i stopów w kanałach form odlewniczych jest przedmiotem niniejszego opracowania. 2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Poniżej przedstawiono schemat stanowiska pozwalającego rejestrować przebieg przepływu i temperaturę czoła strugi w kanale formy wypełnianej techniką odlewania niskociśnieniowego [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 można rejestrować temperaturę w jeden a- stu wybranych, stałych punktach układu metal-forma (temperatura we wnęce wstępnej, temperatury w ściance kanału przepływowego). Formy testowe 1 mogą być zarówno metalowe, jak i piaskowe. Dla form metalowych (stal WCL) stosowane są pojedyncze 164
ARCHIWUM ODLEWNICTWA kanały przepływowe 12, 14, 16 mm. Forma piaskowa zawiera po trzy kanały 4, 6.5, 10 mm. W każdym przypadku długość kanałów przepływowych wynosi 180 mm. 3. WYBRANE PARAMETRY NA TLE PRZYKŁADOWYCH POMIARÓW Rysunek 2 ilustruje przebieg wszystkich sygnałów zarejestrowanych dla przypa d- ku przepływu aluminium A0 w kanale 16 mm formy metalowej. Obok krzywej przepływu i ciśnienia w piecu p(t), widoczne są linie zmian temperatury: w czole strugi, wnęce wstępnej Tw(t) i ściance kanału ( krzywe leżące poniżej linii ciśnienia; punkty pomiaru temperatury zaznaczono kropkami na tulei 1 rys.1). Podstawowe cechy przepływu wynikają z przebiegu krzywych i oraz ich pochodnych. Tw(t) p(t) Rys. 2. Ilustracja zarejestrowanych sygnałów pomiarowych dla przepływu aluminium w kanale formy metalowej Fig. 2. Illustration of registered signals for the aluminum flow in the metal mould channel Stosowne ilustracje przedstawiono na rysunku 3 (aluminium dane z rysunku 2) oraz na rysunku 4, obrazującym przepływ siluminu AlSi 6.45% w identycznym kanale fo r- my. W części (a) każdego z rysunków zamieszczono temperaturę czoła wraz z pochodną T (t) oraz krzywą przepływu. Rysunki (b) stanowią zestawienie krzywej przepływu i jego prędkości v(t). Na rysunkach oznaczono literami charakterystyczne etapy procesu. Wskazują one na: A- wpłynięcie metalu do wnęki estepnej, B- maksymalną szybkość studzenia strugi, C- poziom temperatury likwidus, D- maksymalną prędkość przepływu, E- temperaturę eutektyczną, H- 90% czasu przepływu, K- koniec przepływu, L- temperaturę likwidus. W polach rysunków wydrukowano niektóre wart o- ści: T, T, h, v oraz ich wartości średnie w przedziale (np. v-ak średnia prędkość przepływu w przedziale A-K). W częściach (a) rysunków widoczne są poziome linie punktowane, leżące tuż nad temperaturami krzepnięcia. Linie te obrazują temperatury 165
krzepnięcia uzyskane w próbniku ATD (TL=658.6ºC -dla A0; TL=618ºC, TE=576.8ºC- dla AlSi6.45). a) T (t) b) v(t) Rys. 3. Przepływ aluminium: a), T (t), ; b), v(t) Fig. 3. Flow of aluminum: a), T (t), ; b), v(t) 166
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) T (t) b) v(t) Rys. 4. Przepływ AlSi 6.45: a), T (t), ; b), v(t) Fig. 4. Flow of AlSi 6.45: a), T (t), ; b), v(t) 167
Stosunek odpowiadających sobie temperatur w przepływie i w próbniku ATD generuje parametry KTL i KTE, wyrażające stopień obniżenia temperatury likwidus i eutektycznej w przepływie w stosunku do odpowiedników równowagowych (KL=0.995- dla A0 i 0.992- dla AlSi6.45; KE=0.972- dla AlSi6.45). Innym, istotnym parametrem (KTK) jest stosunek temperatury zatrzymania przepływu do temperatury likwidus w przepływie (0.999 dla A0; 1.003 dla AlSi6.45). Stosunek średniej prędkości przepływu do jej wartości maksymalnej (KVSM) dobrze charakteryzuje nierównomierność przepływu (0.396- dla A0; 0.51- dla AlSi6.45). Sposób zatrzymania przepływu (powolny/raptowny) można określić stosunkiem średniej prędkości przepływu, odno towanej w ostatnim jego etapie (np. ostatnie 10% całkowitego czasu) do prędkości śre d- niej na całej drodze przepływu KV10 (0.293- dla A0; 0.567- dla AlSi6.45). Zdolność metalu do przepływu w zakresie temperatur krzepnięcia dobrze odzwierciedla stosunek drogi przebytej po osiągnięciu temperatury likwidus do całkowitej drogi KHL (0.175- dla A0; 0- dla AlSi6.45). 4. PODSUMOWANIE Przedstawiona propozycja wyrażania charakterystycznych cech przepływu metali i stopów w kanałach form odlewniczych za pomocą bezwymiarowych parametrów nie wyczerpuje listy możliwych skojarzeń. Równie istotne będą parametry odnoszące się do procesów cieplnych w układzie, czy też parametry porównujące przepływ strugi rzeczywistej z przepływem strugi idealnej. LITERATURA [1] Mutwil J., Żygadło M., Janowski R., Niedźwiecki D.: Nowe stanowisko do badań lejności, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 44, 2000, s. 497-502. Badania prowadzone są w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B 032 16 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach 1999-2001. SUMMARY PARAMETRIC DESCRIPTIONOF METALS AND ALLOYS FLOW ATTRIBUTES IN MOULD CHANNELS The method of parametric description of the characteristic attributes of metals and a l- loys flow in the mould channels has been presented. The dimensionless parameters are determined on the basis of both registered curves the flow and the temperature curve of the tip of stream. Recenzował prof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński 168