10/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 STANOWISKO DO BADANIA SKŁONNOŚCI METALI I STOPÓW DO TWORZENIA OBCIĄGNIĘĆ STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Opisano stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć. Pomiar ciśnienia w krzepnącym odlewie i temperatury w odpowiednich jego miejscach pozwala ocenić mechanizm powstawania obciągnięć. Key words: susceptibility of metals and alloys to shrinkage depression formation 1. WPROWADZENIE Obciągnięcie jest jedną z podstawowych wad odlewniczych spowodowanych skurczem metali i stopów w okresie krzepnięcia. Ta wywołana niezadowalającym zas i- laniem powierzchniowa wada uwidacznia się najczęściej w obszarach węzłów ciep l- nych odlewu. Skłonność metali i stopów do tworzenia obciągnięć jest silnie uzależniona od ich składu chemicznego. Skład chemiczny stopu decyduje bowiem o wielkości powstającego w okresie krzepnięcia deficytu objętości, wpływa też istotnie na sposób jego krzepnięcia. Sposób krzepnięcia determinowany dodatkowo szybkością stygnięcia o d- lewu decyduje o jego zasilaniu, ma też istotny wpływ na wytrzymałość naskórka fazy stałej pojawiającej się w początkowym okresie krystalizacji. Obszerny opis metod b a- dania i poglądów na temat skłonności metali i stopów do obciągnięć można znaleźć w pracy Z. Górnego [1]. Zawarte tam informacje wskazują, że zgodnie przyjmuje się szeroki zakres temperatur krzepnięcia stopu, jako czynnik sprzyjający powstawaniu obciągnięć. Poglądy na temat roli innych czynników są już mniej zgodne. Istotne jednak znaczenie może tu mieć pojawiające się w okresie krzepnięcia i wynikające ze skurczu podciśnienie wewnątrz odlewu, którego poziom może dodatkowo zależeć od ilości 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 99
rozpuszczonych w metalu gazów [2]. Propozycję stanowiska badawczego pozwalającego oceniać ciśnienie wewnątrz krzepnącego odlewu przedstawiono poniżej. 2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Przystępując do opracowania metody badawczej założono, że dla oceny mech a- nizmu powstawania obciągnięcia rejestrowany powinien być przebieg krzepnięcia metalu w kokili o prostej geometrii, lecz lokalnie zróżnicowanych warunkach odprowadzania ciepła (miejscowe zmniejszenie intensywności odprowadzania ciepła). Wtedy w ob - szarze zmniejszonej intensywności studzenia odlewu powinny stworzyć się warunki do powstania obciągnięcia. W miejscu tym mierzona powinna być temperatura powierzc h- ni odlewu, co zapewni uchwycenie momentu zapadania się jego ścianki. Pomiar temp e- ratury powinien być też realizowany w osi odlewu i na przekroju ścianki. Ciśnienie postanowiono mierzyć w obszarze węzła cieplnego. Schemat stanowiska spełniającego wymienione założenia przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć: 1-podstawa formy; 2- dzielona górna część formy; 3-pokrywa; 4- wkładka z masy formierskiej; 5- badany metal; 6- rurka stalowa; 7, 8, 9, 10, 11- termoelementy płaszczowe; 12-manometr analogowy; 13-mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16; 14-komputer PC. Fig. 1. Stand for investigation of metals and alloys susceptibility to formation of shrinkage depression: 1- base of mould; 2- top part of split mould ; 3- cover ; 4- sand insert; 5- tested metal; 6- steel pipe; 7, 8, 9, 10, 11- mantle thermocouple; 12-analog manometer; 13- microprocessor recorder; 14- microcomputer. Aby zapewnić możliwość uwzględnienia w badaniach czynnika geometrii odlewu p o- stanowiono wykonać dwa typy form. Forma pierwsza (rys.2), zgodnie z ko ncepcją 100
ARCHIWUM ODLEWNICTWA przedstawioną na rys.1, pozwala na uzyskanie odlewu stożka ściętego (D=54 mm, d=40 mm, h=54 mm). Forma druga (rys.3 b) pozwala uzyskać odlew walcowy o średnicy podstawy i wysokości identycznej jak dla odlewu stożka. Rys. 2. Otwarta górna część formy stożkowej. Fig. 2. Opened top part of conical mould. Każda forma (rys. 1, 3a) składa się z podstawy, dzielonej formy właściwej oraz pokrywy. Na płaszczyźnie podziałowej formy (rys. 2) wyfrezowane są 4 rowki 1,6 x 1,6 mm pozwalające na instalowanie na wybranej wysokości stalowej igły iniekcyjnej 1,6 mm do pomiaru ciśnienia. Na rysunku 2 widoczne są też wyfrezowane na płaszczyźnie podziałowej formy wybrania do formowania w nich wkładki z masy formierskiej. Wspomnianą wkładkę zagęszcza się po złożeniu połówek kokili i wprowadzeniu do jej wnęki rdzenia z poliamidu (rys.3b). Rdzeń jest dokładnie dopasowany do wnęki kokili, dzięki czemu wewnętrzna powierzchnia zagęszczanej wkładki dobrze odwzorowuje fragment ścianki formy. Niewielka zbieżność wybrania zapobiega wypchnięciu przez ciśnienie metalostatyczne wkładki na zewnątrz. Formy wykonano ze stali WCL i ulepszono cieplnie w wysokociśnieniowym piecu próżniowym (temperatura odpuszczania: T = 650 C). Przed zalaniem formy instalowane są w niej wszystkie czujniki pomiarowe (rys.1). Aby ograniczyć możliwość zaczopowania przez krzepnący metal o tworu wlotowego igły, na jej ostrze nakładana jest kostka z filcu ognioodpornego. Do pomiaru temperatury stosuje się płaszczowe termoelementy typu K o średnicy płaszcza 1mm. Termoelement instalowany we wkładce umieszcza się tak, aby jego spoina pomiarowa mogła się zetknąć z powierzchnią odlewu. Jeden z termoelementów wprowadzanych przez dno formy można odgiąć tak, aby, stykając się sprężyście z boczną ścianką formy, mógł mierzyć temperaturę powierzchni odlewu. Formy zalewane są od góry, a bezp o- średnio po zalaniu na powierzchnię swobodną metalu kładzione są walcowe, metalowe pokrywy ograniczające możliwość powstania otwartej jamy skurczowej. Równolegle można prowadzić badania, w których odlew będzie krzepł bez pokrywy, co powinno sprzyjać otwartym jamom skurczowym i ograniczać objętość obciągnięcia. 101
a) b) Rys. 3. Forma stożkowa wraz z pokrywą (a) i otwarta forma walcowa z rdzeniem (b) Fig. 3. Conical mould with cover (a) and opened cylindrical mould with core (b) 3. PRZYKŁAD POMIARU Na rysunku 4 pokazano przykładowe zdjęcie stożkowego odlewu (silumin AK11) z wyraźnie wykształconą wadą obciągnięcia, która, tak jak założono, uwidoczn i- ła się w miejscu o zmniejszonej szybkości odprowadzania ciepła (miejsce styku z wkładką piaskową). 102 Rys. 4. Silumin AK11, odlew stożkowy. Fig. 4. AlSi11 alloy, conical casting. W ilustrowanym pomiarze formę po zalaniu zamknięto pokrywką, mimo tego, na górnej ściance odlewu powstała niewielka skurczowa wada nieciągłości powierzchni, która mogła spowodować ograniczenie i tak wyraźnego obciągnięcia.
ARCHIWUM ODLEWNICTWA T1 T2 T3 T4 p Rys. 5. Zarejestrowane zmiany temperatury i ciśnienia dla odlewu z rys. 4. Fig. 5. Temperature and pressure changes registered for casting from fig. 4. Na rysunku 5 przedstawiono zarejestrowane dla omawianego odlewu krzywe zmian ciśnienia i temperatury. Ciśnienie mierzono na poziomie połowy wysokości wkładki piaskowej, a ostrze igły oddalone było od jej powierzchni o 15 mm. Temperaturę mierzono w czterech miejscach, a spoiny pomiarowe termoelementów umieszczone były na poziomie igły. Temperaturę T1 mierzono w osi stożka, temperaturę T2 w po łowie grubości ścianki odlewu, temperaturę T3 wyznaczył termoelement, który odgięto tak, aby jego spoina stykała się z powierzchnią boczną ścianki kokili, natomiast temperaturę T4 mierzył termoelement umieszczony we wkładce piaskowej, tak aby jego spoina pomiarowa wystawała z jej powierzchni (rys. 1). Analiza przebiegu temperatury T4 pozwala zauważyć, że już w początkowym okresie krzepnięcia zaczęło się tworzyć obciągnięcie, co przejawiło się wyraźnym zmniejszaniem się tylko tej temperatury, co z kolei świadczyć może o utracie kontaktu spoiny pomiarowej ze ścianką odlewu (zapadanie się ścianki). W tym samym czasie rozpoczęło się również obniżanie ciśnienia wewnątrz odlewu. Tuż przed zakończeniem krzepnięcia wytworzone podciśnienie było na poziomie 2.4 kpa.,0 Po zakończeniu krzepnięcia wartość podciśnienia zaczęła się zmniejszać, co można przypisać zmniejszaniu się objętości jamy wewnętrznej i spadkowi w niej temperatury. Zarejestrowany pomiar może świadczyć o istotnej roli p o- 103
wstającego wewnątrz krzepnącego odlewu podciśnienia w mechanizmie tworzenia obciągnięć szczególnie tych, które powstają na bocznych i dolnych ściankach odlewu. 4. PODSUMOWANIE Zastosowane rozwiązania w opracowanym stanowisku do oceny skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć w odlewach pozwalają zarówno na prowadzenie badań nad mechanizmem powstawania tej wady, jak i wpływem na nią czynników metalurgiczno-technologicznych. Istotnym uzupełnieniem eksperymentów tego typu mogłyby być badania nad wytrzymałością na zginanie naskórka fazy stałej pojawiającej się w początkowym okresie krzepnięcia. LITERATURA [1] Górny Z.: Metale nieżelazne i ich stopy odlewnicze- topienie, odlewanie, struktury i właściwości, t. II, część 5, Instytut Odlewnictwa, Kraków 1995. [2] Kotlarskij F. M. i in.: Obrazovanije utjazki w otlivkach iz aluminievych splavov, Litejnoje Proizvodstvo, nr 4, 1986, s. 9-11. STAND FOR INVESTIGATION OF METALS AND ALLOYS SUSCEPTIBILITY TO FORMATION OF SHRINKAGE DEPRESSION SUMMARY A stand for examination of metals and alloys susceptibility to shrinkage depre s- sion formation has been described. The measurement of pressure in solidifying casting and temperatures in its appropriate places allows to estimate the course of shrinkage depression formation. Recenzował: prof. dr inż. Józef Gawroński 104