JAN SZAJNAR, JÓZEF GA WROŃSKf*

Solidification of Metais and Alloys, No.30, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN- Oddział Katowice; PL ISSN 0208-9386 JAN SZAJNAR, JÓZEF GA WROŃSKf* ROZKŁAD SKŁADNIKA STOPOWEGO I STRUKTURA ODLEWÓW KRZEPNĄCYCH POD DZIAŁANIEM POLA MAGNETYCZNEGO W pracy przedstawiono analizę czynników wpływających na strukturę krystaliczną odlewów krzepnących przy wymuszonej przez pole magnetyczne konwekcji. Określono warunki, przy których pole magnetyczne zn1ienia stmkturę odlewu. Stwierdzono, że wamnkiem podstawowym tych zn1ian jest stężenie początkowe składnika stopowego powyżej pewnej wartości minimalnej, przy której tworzy się komórkowy front krystalizacji. Na przykładzie stopu AlMnl zbadano rozkład Mn w kryształach kolumnowych i podano przyczyny zmiany ich kiemnku wzrostu. l. WPROW ADZENIE Krzepnięcie odlewu pod działaniem zmiennego pola magnetycznego to krzepnięcie przy wymuszonym ruchu ciekłej fazy. Stosowanie pola magnetycznego powoduje istotne zmiany w procesie krystalizacji i krzepnięcia odlewu, których efektem mogą być [3-14]: - rozdrobnienie i ujednorodnienie kryształów równoosiowych w odlewach krzepnących w tradycyjnych warunkach objętościowo, - zmniejszenie szerokości strefy kryształów kolumnowych w odlewach krzepnących w tradycyjnych warunkach z tą strefą, - zmiana kierunku wzrostu kryształów kolumnowych. Notuje się również przypadki, w których zastosowanie pola magnetycznego (wymuszonego ruchu ciekłego metalu) w czasie krzepnięcia odlewu nie przynosi żadnych zmian w strukturze krystalicznej. 2. CZYNNIKI WPLYW AJĄCE NA STRUKTURĘ KRYSTALICZNĄ ODLEWÓW KRZEPNĄCYCH PRZY WYMlJSZONYM RUCHU ClEKLEJ FAZY Krzepnięcie i krystalizacja w warunkach wymuszonej konwekcji wyrnaga rozważenia szeregu zagadnień związanych z kinetyką procesu. Można tu \vymienić: - zjawi.sko makroskopowego przepływu ciepła w odlewie, dr inż. -Katedra Odlewnictwa rolitechniki Śląskiej w Gliwicach prof. dr inż. - Katedra Odlewnictwa rolitechniki Śląskiej w Gliwicach

214 Jan Szajnar, Józef Gawr01lski - mechanizmy erozyjne frontu krystalizacji (mechaniczne i termiczne niszczenie frontu), - zjawiska w mikroskali, uwzględniające morfologię frontu krystalizacji i jego trwałość, grubość warstwy dyfuzyjnej, mikrokonwekcję wokół rosnących kryształów. Wyżej wymienione zjawiska stanowią o strukturze odlewów i jak dowodzą wyniki badań własnych, uzyskane we wcześniejszych pracach [7-14], wymuszona przez zmienne pole magnetyczne konwekcja, wywołuje efekty zależne od następujących czynników początkowych procesu: - szybkości krystalizacji będącej funkcją szybkości odprowadzania ciepła z odlewu, co wiąże się ze sposobem krzepnięcia (objętościowe łub warstwowe - kierunkowe), - stężenia dodatku stopowego lub zanieczyszczeń w czystym metalu, - prędkości ruchu ciekłego metalu w formie będącej funkcją indukcji pola magnetycznego. W przypadku krzepnięcia objętościowego, krystalizacja odlewu przebiega przy małym gradiencie temperatury w fazie ciekłej i stalej oraz przy nieciągłym froncie krystalizacji, a zastosowanie do tych warunków krzepnięcia i krystalizacji pola magnetycznego (wymuszonej konwekcji) powoduje uzyskanie każdorazowo kilkukrotnego rozdrobnienia ziarn równoosiowych [7-10]. Zmiany te zauważa siq praktycznie bez względu na skład chemiczny wykonywanych odlewów [lo]. 0,5 ~krzepnięcie warstwowe -+ krzepnięcie ~ ~ 9-1 r ~ objętościowe ::::~ \ l q> l l8 : l ~ ciągły płaski front krystalizacji l J l l ~ l l 2 Q) l l ~ Q) l l ciągły komórkowy front krystalizacji nieciągły front krystalizacji 0------------------------~~----------~ Cmin C~~" stężenie ::l ~ ~ :.-..c u ""8 Rys. 1. Zmiana szerokości strefy kryształów kolumnowych i kienmku wzrostu kryształów w tej strefie w zależllości od ilości dodatku stopowego przy krzepnięciu odlewu pod wpływem wymuszonej konwekcji fig. 1. The width of colunmar crystals zone and direction of crystals growth as function of alloy addition in casting solidified in forced convection

Ro:::kład składnika stop. i stntkfl1ra odlewów kr::.ep. pod dział. pola magn 215 W warunkach krzepnięcia odlewu ze strefą kryształów kolumnowych, któremu towarzyszy duży gradient temperatury w fazie stałej i ciekłej oraz ciągły front krystalizacji, notowane efekty zastosowania wymuszonej przez pole magnetycme konwekcji nie sąju ż takjednomacme. I tak: - podczas krzepnięcia i krystalizacji odlewu w tych warunkach wyrnu.szony ruch ciekłej fazy nie wywołuje praktycmie żadnych zmian w strukturze odlewów z bardzo czystych metali, np. Ał99,99 i Zn99,99, - w odlewach o większym stężeniu zanieczyszczeń lub składnika stopowego, czyli po p'rzekroczeniu pewnej minimalnej zawartości - np. Al99,7 łub ZnAIO,l, uzyskuje się zmniejszenie szerokości strefy kryształów kolumnowych i kryształy w tej strefie zmieniają kierunek wzrostu o kąt <p (rys. 1). Wpływ prędkości ciekłej fazy wzdłuż frontu krystalizacji wraz ze zmianą warunków krzepnięcia uzyskiwaną przez różnicowanie temperatury zalewania na szerokość strefy kryształów kolumnowych, na przykładzie Al99,7, przedstawiono na rys. 2, a wpływ stężenia aluminium w stopie jednofazowym ZnAl i temperatury cieklego metalu na kąt odchylenia kryształów kolumnowych przedstawia rys. 3. 14 13,5 13-12,5 12 1 11,5...1 11 10,5 10 0,75~ 1 15. 1,35 700 V cieczy [mis] 1,55 Tzal. ["C] Rys. 2. Wpływ prędkości cieklej fazy (V cieczy) vadłuż frontu krystalizacji i temperatury zalewania (T za1) na szerokość strefy kryształów kolumnowych (L) na przykładzie Al99,7 (12] Fig. 2. Influence o f the liquid flow (C cieczy) and pouring temperature (T,_a~) on the width co lunmar crystals zone (L), for Al99,7 [12]

216 Jan S::.ajnar, Józef Gawr01l.ski 23 22,5 22 21,5 21 ci Al[%] L{) v o Rys. 3. Wpływ temperatury pn:egrzania (Tprzeg) i stężenia aluminium (Al%) w stopie jednofazowym ZnAl na kąt odchylenia kryształów kolurnnowych <p [ 12, 14] Fig. 3. 1nf1uence o f the overheating temperature (Tprzeg) and aluminum eontent in ZnAl alloy on the def1ection angle o f co lunmar erystal s (<p) 3. ROZKŁAD STĘŻEŃ SKŁADNIKA STOPOWEGO W KRYSZTALACH KOLUMNOWYCH Na podstawie dotychczasowych wyników badań autorów [11-14] stwierdza. się, że kierunek wzrostu kryształów kolumnowych odchyla się od kierunku radialnego (prostopadłego do ścianki formy). Odchylenie to ma zwrot przeciwny do kierunku ruchu strumienia cieklej fazy. Na podstawie tych badań udowodniono ró-wnież tezę, że przy krzepnięciu odlewu z wymuszonym ruchem ciekłej fazy, warunkiem koniecmym odchylania się kierunku wzrostu kryształów kolumnowych jest początkowa zawartość składnika stopowego Co powyżej pewnej minimalnej wartości (Co> Cmm). Wyniki tych badań uzyskano odlewając wlewki walcowe ze stopów jednofazowych i czystych metali w wirującym i wi rującym rewersyjnym polu magnetycmym (tab. l). Zmiana stężenia zanieczyszczeń w czystym metalu lub dodatku stopowego, od bardzo małych wartości w kierunku większych, powoduje zmianę morfologii frontu krystalizacji, tj. przejście z płaskiego do komórkowego itd. (rys. l). Przy płaskim froncie krystalizacji równoległy do niego strumień cieczy, mimo

Ro:.:klad składnika stop. i stmktura odlewów kr:.:ep. pod d:.:ial. pola m agn. 217 Parametry odlewania wlewków V a na. bl es o f t h e mgo t s cas t m Lp. Metal Tgrzeg T za~ lub stop [C] [OC) l Al99,7 810 750 2 Al99,99 805 760 3 Zn99,99 455 450 4 Zn99,99 459 430 5 Te99,95 490 480 6 Cu99,90 1200 1150 7 CuCrD,8ZrD,2 1200 1150 8 ZnAIO, I sos 450 9 ZnAl0,5 470 450 V cieczy t <p [m/s] [s] Tablica l l,33 20 >O 1,33 20 o 1,33 38 o 1,33 120 o 1,42 180 o 2,14 20 >O 2,6 3 15 >O 1, 11 40 >O l,ll 40 >O V - maksymalna prędkość obwodowa cieklego metalu w fonnie, t- czas oddzialywania pola, <p- odchylenie kienmku wzrostu krysztalów kolunmowych. zmian gradientu temperatury fazy cieklej i stalej, nie powoduje zauważalnych zmian w strukturze krystalicznej bardzo czystych metali. Przy bardziej rozwiniętym froncie (po przekroczeniu stężenia Cm;n) notuje się odchylenie kierunku wzrostu kryształów kolumnowych. Pierwotnie założono, analizując wyniki badań, że przyczynami tego odchylenia mogą być: l) niesymetryczny przepływ ciepła przez czoło komórki lub dendrytu [8, 11], 2) nicsymetryczny rozkład stężeń - różnicowanic się stężeń wokół czoła komórki lub dendrytu [12, 13]. Pierwszą przyczynę próbowano dowieść przeprowadzając analizę numeryczną wzrostu kryształów kolumnowych, zakładając w modelu różnicowanie się strumieni ciepła przepływających po obu stronach osi krysztalu (rys. 4). Wyniki eksperymentu numerycznego nie potwierdziły tego zjawiska. Odchylenie o kąt <p wypadkowego kierunku strumienia ciepła Qv od kierunku tradycyjnego ulegalo po około 0,3s czasu trwania procesu krzepnięcia zanikowi - kąt <p dążył do O. Przyczynami tego stanu są niewielkie różnice współczynników termofizycznych w pobliżu frontu krystalizacji w fazie cieklej i stalej oraz małe wyn1iary rosnących

218 Jan Szajnar, Józef Gawr01zski a) b) kryształ Q Rys 4. Przepływ ci epł a na p o wierzcłmi frontu krzepnięcia : a) warunki tradycyjne, b) wymuszona konwekcja [8, II] Fig. 4. lleat transfer on the erystal end face: a)typical conditions, b) forced convection kryształów kolumnowych - promień czoła komórki Ał99, 7, w warunkach przeprowadzonych prób, wynosił 35-45mm. Również studia literaturowe udowadniają, że różnicowanie się wartości strumieni ciepła wokół czoła kryształu wydaje si<( mało prawdopodobne. Jak wykazała analiza procesu dyfuzji składnika stopowego [l,2,4,5, ł5] i przenoszenia ciepła, odległość, na którą domieszka może przedyfundować w jednostce czasu, przy jednostkowym gradiencie st<(żenia, jest około sto razy mniejsza niż odległość o jaką przemieści się w jednostce czasu front krystalizacji, natomiast odległość, na którą przenoszone jest ciepło w jednostce czasu przy jednostkowym gradiencie temperatury jest około sto razy wi<(ksza niż przemieszczenie frontu W związku z tym kształt frontu krystalizacji w istotnym stopniu wpł ywa na konfigurację izostężeniowych powierzchni poła stężenia i w pomijalnic małym stopniu vvplywa na konfigurację izotermiemych powierzchni temperatury. Zatem można przyjąć, że różnicowanic się st<(żeń w odlewie wykonywanym pod wpływem wymuszonej konwekcji jest podstawową przyczyną tworzenia się tzw. kryształów kolumnowych odchylanych (spiralnych) [ ł2, l 3]. W takim przypadku należało określić stężenie składnika stopowego w ciekłym metalu również w kierunku równoległym do frontu krystalizacji czyli wokół wystających z frontu, powierzchni czołowych komórek

Ro:::klad skladnika stop. i stmktura odlewów krzep. pod dział. pola magn 219 Badania przeprowadzono na mikroanalizatorze rentgenowskim określając rozklad Mn wzdluż linii prostopadłych do osi krysztalu w odlewach ze stopu AIMn l. Wyniki przedstawiono na rys. 5. 1,30 ~ kier~nek ruchu c1e czy 1.25 1,20 1,15 45 25 o 25 45 szerokość krysztutu, x 10-3 [mm] Rys. 5. Rozkład M n w kry ształach kolunmowych: linia ciągła- odlewy tradycyjne, linia przerywana - odlewy wykonane w wimjącym polu magnetycznym [ 12] Fig. 5. Mn concentration in cołumnar crystals Bezpośrednią przyczyną różnicowania się stężeń w krysztalach kolumno wych jest ruch cieczy na froncie krystalizacji i związany z nim niesyn1etryczny rozklad powierzchni izostężcniowych w cieklej fazie oraz różna grubość warstwy dyfuzyjnej. Dane literaturowe dowodzą, że grubość warstwy dyfuzyjnej zależy od czynników tcm10fizycznych stopu, ale również silnic zależy od wymuszonej konwekcji. Ruch cieczy wzdłuż frontu krystalizacji powoduje wielokrotne jej znmicjszcnie [ 1-7, 15]. Grubość warstwy dyfuzyjnej bc;::dzie najmniejsza od strony nacierającego strumienia. Z tej strony czoła krysztalu będzie odbywał sic;: nie tylko większy dyfuzyjny transport Mn w głąb cieczy, ale przede wszystkim konwekcyjne przesytanic tego składnika z frontu krystalizacji. W wyniku tego uzyskuje się mniejsze stężenie Mn na froncie krystalizacji i w konsekwencji w tej czqści krysztalu (rys. 5). -ł. PODSUlHOW ANIE Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań stwierdzono, że czynnikiem decydującyn1 o efektach działania \V)'111uszonej konwekcji na strukturę odlewu jest stężenie początkowe składnika stopowego w stopie lub zanieczyszczeń w czystym metalu.

220 Jan Szajnar, Józef Gawroliski Zmiany w warunkach odprowadzania ciepła, będące skutkiem wymuszonej konwekcji, nie są czynnikiem wystarczjącym do powodowania odchylenia kierunku wzrostu kryształów kolumnowych. Przyczyna odchylania tkwi w różnicowaniu się stężenia domieszki wokół czoła krysztalu - komórki lub dendrytu. LITERATURA [l] BraszcZ)'11ski J., Teoria procesów odlewniczych, PWN, Warszawa, 1989. [2] fraś E., Krzepnięcie metali i stopów, PWN, Warszawa, 1992. [31 fredriksson H., The Scandinavian Joumal o f Metallurgy 15, no. 3, 1986, p. 127-133. [4 j Ki-Bae K. i in., EfTects o f fluid flow on the solu te redistribution ofhigh purity aluminum ingot, Proc. 62nd World Foundry Congress, Philadelphia, 1996, p. 2-11. [5] Kurz, Fischer., fundamentais Solidification, Trans T ech Public., USA, 1984. [6] Paradies C., Gliksman M., Dendrite fragmentation by forced flow over mushy zone, Proc. Confer. 121 TMS Arumal Meeting, San Diego, 1992, p. 35-44. [7]. Szajnar J., Zmiany w stmktum: i właściwościach odlewów z A!Mnł wykonanych pod działaniem poła megnetycmego, Mat. XIX Symp.Nauk. AGH Kraków, l 993, s.l O 1-105. [8). Szajnar J. i in., Kierowanie krystalizacją odlewu w polu magnetycmym, Raport koijcowy projektu badawczego nr 3 0862 91 O l KBN, Politeclmika Śł. Gliwice, 1993. [9]. Szajnar J., Magneticke pole jako modyfikator stmktury slitin, Mater. Xll medzinarodna konfer. "Ockovadla a predzliatiny", Strojenska fakulta Vysokej Skoly dopravy a spojov v Żilinie, Rajecke Teplice, 12-14.09.1994, s.l25-129. [lo]. Szajnar J., Wanmki homogenizacji struktury odlewów krzepnących w polu magnetycznym, KMiS, 1996, nr 27. [l 1]. Szajnar J., Analysis o f columnar crystals growth during the solidification in magnetic field, Proc. [J Conf."Moving Boundaries '93", Milano 23-25 June 1993, Wessex Institute of Teclmology Southampton, University ofportsmouth, s. 319-327. [ 12]. Szajnar J., Model teoretyczny i weryfikacja doświadczalna procesu waostu kryształów kolunmowych odchylanych powstających podczas krzepnięcia odlewów w polu elektromagnetycznym, Rap.koi1cowy proj.bad. nr 3 P407 020 07 KBN, Politeclmika Śl. Gliwice, czerwiec 1995. [ 13). Szajnar J., Modelowe wamnki wzrostu kryształów kolumnowych z cieczy wimjącej. KMiS, 1995, nr 22, s. l 60- l 66. [14]. Szajnar J., GawroJ1ski J., Cholewa M., Wpływ wymuszonego mchu i temperatury cieklego metalu na kąt odchylenia kryształów kolumnowych w odlewach kilepnących w polu magnetycznym, Archiwum Teclmoł.i Maszyn i Automatyzacji, 1996, vol. 16, nr l, s. 81-89. [ 15]. Tumbuli D. i in., Transport Processes o f Fluid Fi o w in Sołidific., Metais Park, Ohio, l ')71. Jan Szajnar Józef Gawro1'lski Distribulion or Alłoy Addition and Structurc in Casting Solidyling with Magnctic Field Summary The paper contains an anałysis of the crystałlization cast conditions in forced convection by the rotating magnetic field. TI1e fundamental condition of the stmcture changes is alłoy addition concentracion. It' s said, the essential influence the det1ection angle crystałs has concentration or additive in puremetalor alloy.