68/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 URZĄDZENIE DO BADANIA NAPRĘŻEŃ ODLEWNICZYCH STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Politechniki Zielonogórskiej Przedstawiono urządzenie do badań ewolucji naprężeń skurczowych powstających w okresie krzepnięcia i studzenia metali i stopów. W urządzeniu zastosowano mikroprocesorową rejestrację siły rozciągającej i temperatury metalu. 1. WPROWADZENIE Naprężenia powstające w okresie krzepnięcia i studzenia odlewu najczęściej mają charakter naprężeń skurczowych. O ile zjawiska skurczu nie jesteśmy w stanie wyeliminować, to odpowiednimi rozwiązaniami technologicznymi możemy w dużej mierze ograniczyć jego negatywne oddziaływanie. W celu poszukiwania rozwiązań optymalnych, współczesnemu technologowi nie wystarcza już wiedza na temat przeciętnej wartości skurczu liniowego, lecz niezbędna jest znajomość jego kształtowania się w całym przedziale zmienności temperatur odlewu. Również dotyczy to problematyki wywoływanych kurczeniem się metalu naprężeń. W badaniach ewolucji naprężeń w krzepnącym odlewie najkorzystniej jest wykorzystać, podobnie jak to zrobiona dla potrzeb badań skurczu liniowego [1, 2], mikroprocesorowe techniki rejestracji i przetwarzania elektrycznych sygnałów pomiarowych. Propozycję takiego rozwiązania przedstawiono w tej pracy. 2. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO Schemat stanowiska do badań naprężeń powstających na skutek hamowania skurczu w odlewie prostego pręta o przekroju kwadratowym przedstawiono na rysunku 1. Podstawowym sygnałem pomiarowym jest tu napięcie wytwarzane przez czujnik siły 3 związany z wolnym końcem krzepnącego odlewu. Całe stanowisko zainstalowane jest na ramie kształtowej 1. Forma testowa składa się z czterech elementów. Do odtwarzania pręta skurczowego o wymiarach 20x20x250 mm służy otwarty od góry metalowy lub piaskowy segment 2. 1 Dr hab. inż., e-mail jmutwil@wm.pzgora.pl
504 Rys. 1. Schemat stanowiska do badania naprężeń skurczowych: 1-kształtowa rama, 2-segment pręta skurczowego, 3- czujnik siły, 4- ramiona czujnika, 5-złącza ramion czujnika ze śrubą napinającą 11 i kotwą 6, 7- płytka zamykająca wnękę 2, 8- segment wlewowy, 9- dzielona nadstawka zbiornika wlewowego, 10- płyta zamykająca, 12- wałeczki toczne, 13- blokada, 14- ograniczniki, 15- termoelement, 16- mikroprocesorowy rejestrator, 17- komputer Rys. 1. Scheme of stand for investigation of shrinkage stresses: 1-shape board, 2-segment of shrinkage bar, 3- force sensor, 4- sensor arms, 5-couplings of sensor arms with both the strain screw 11 and the anchor 6, 7- plate closing the cavity 2, 8- runner segment, 9- sectional runner box, 10- closing plate, 12- rollers, 13- blocking, 14- limiters, 15- thermocouple, 16- microprocessor recorder, 17- computer Segment 2 dostawiany jest do przytwierdzonego do ramy 1 segmentu wlewowego 8 i zabezpieczany przed zmianą ustawienia za pomocą ograniczników 14. Na segmencie wlewowym ustawiana jest dzielona nadstawka wlewowa 9, posiadająca na płaszczyźnie podziałowej rowek do wprowadzania termoelementu płaszczowego φ1mm. Termoelement wprowadzany jest tak, aby jego końcówka pomiarowa znalazła się w osi cieplnej segmentu 2. Segment 2 zamykany jest od góry płytą 10. Płyta ta posiada wkręcony uchwyt, pozwalający na jej uniesienie w dowolnej chwili czasu. Takie rozwiązanie umożliwia obserwację powstawania pęknięć w odlewie. Segment pręta skurczowego zamykany jest wkręconą na kotwę 6 płytką zamykającą 7. Kotwa wkręcona jest jednocześnie do elementu łączącego 5, połączonego przegubowo z
505 ramieniem 4 czujnika siły 3 (czujnik siły firmy Megatron, 5kN). Drugie ramie czujnika siły, poprzez przegubowe połączenie z elementem 5 i śrubę napinającą 11, połączone jest z ramą kształtową 1. Śruba napinająca 11, dzięki blokadzie 13, pozwala na wstępną eliminacje luzu w układzie pomiaru siły. Dla ograniczenia wpływu siły tarcia podstawa skojarzonego z kotwą elementu łączącego opiera się na wałeczkach tocznych 12. Średnica wymienionych wałeczków zapewnia centralne położenie kotwy w przestrzeni kanału skurczowego. Kotwa 6 z płytką zamykającą 7 jest elementem wymiennym, co dzięki możliwości zmiany jej długości- zapewnia możliwość prowadzenia badań przy różnych długościach pręta skurczowego. Takie rozwiązanie umożliwia generowanie różnych naprężeń w tych samych przedziałach temperatury metalu, co jest szczególnie istotne w badaniach pęknięć na gorąco. Sygnał pomiarowy z czujnika siły i temperatury przekazywany jest do połączonego z mikrokomputerem mikroprocesorowego rejestratora PDOC-16. Rejestrator PDOC-16, zaprojektowany przez M. Żygadło [3], jest prototypowym urządzeniem wyspecjalizowanym do pomiarów w odlewnictwie. Umożliwia on jednoczesną rejestrację sygnałów z dwunastu czujników temperatury, trzech czujników dających sygnał 0-5V (czujniki siły, przemieszczeń, ciśnienia) i jednego czujnika cyfrowego. Dla sterowania procesem zbierania danych i ich przetwarzania opracowano program w języku Borland Pascal. Proces rejestracji jest uruchamiany programowo w momencie zetknięcia się ciekłego metalu z termoelementem 15. W zakresie analizy sygnałów pomiarowych program umożliwia graficzną prezentację temperatury i siły w funkcji czasu, bądź samej siły w funkcji temperatury metalu. Każdy pojedynczy pomiar rozpoczyna się od wyboru segmentu pręta skurczowego (metalowy/piaskowy) i długości kotwy. Dla segmentu metalowego można również ustalić jego temperaturę początkową. Po zestawieniu wszystkich elementów stanowiska (rys. 1) i likwidacji luzu w układzie czujnika siły, jest ono gotowe do przeprowadzenia eksperymentu. 3. PRZYKŁADOWE POMIARY Poniżej przedstawiono przykład pomiaru wykonanego dla charakteryzującego się szerokim zakresem temperatur krzepnięcia siluminu dwuskładnikowego AlSi 1.65%. Eksperyment wykonano, zalewając silumin w temperaturze T=850ºC do nie podgrzanej formy metalowej (stalowy segment pręta skurczowego). Pręt skurczowy posiadał długość l=236 mm. Rysunek 2 ilustruje zmiany temperatury metalu i siły rozciągającej oraz ich pochodnych po czasie dla pierwszych 60 sekund pomiaru. Linia siły uwidacznia efekt pękania na gorąco. Przebieg siły i jej pochodnej dla całego czasu pomiaru pokazano na rysunku 3. W ujęciu temperaturowym zmiany siły i jej pochodnej po temperaturze ilustruje rysunek 4. Na rysunku tym dokonano wydruku wartości siły w zaznaczonych punktach charakterystycznych. Punkt L przypisano temperaturze likwidus. Punkt E odpowiada efektowi przemiany eutektycznej (efekt śladowy). Punkt G wskazuje na początek pękania pręta, a punkt H na jego koniec. Pęknięcie uwidoczniło się w środkowym obszarze pręta w postaci mikro szczeliny o głębokości ok. 8 mm.
506 Rys. 2. Temperatura metalu i siła rozciągająca oraz ich pochodne po czasie w funkcji czasu Fig. 2. Metal temperature and tensile force with their time derivatives versus time Analiza przebiegu siły rozciągającej (rys. 4) pokazuje, że mikropęknięcie pojawiło się po zakrzepnięciu odlewu. Metal miał wtedy temperaturę T=524ºC, a siła rozciągająca osiągnęła poziom F=268.6 N. Wartość siły na skutek wystąpienia pęknięcia spadła następnie do poziomu F=232 N, by -począwszy od temperatury T=496 ºC już systematycznie rosnąć. W temperaturze tej materiał osiągnął więc na tyle dużą wytrzymałość, że - pomimo zmniejszonego przekroju czynnego - był w stanie przenosić rosnące obciążenia. Analiza pochodnej siły po temperaturze (rys.4) pozwala dokładniej śledzić rozwój naprężeń rozciągających w przedziale temperatur krzepnięcia. Widoczny mianowicie jest na niej wyraźny efekt pojawienia się naprężeń w temperaturze likwidus. Po przekroczeniu temperatury likwidus, temperaturowa szybkość przyrostu naprężeń szybko malała, utrzymując swą minimalną wartość ( ok. 1N/K) do połowy zakresu temperatur krzepnięcia. Po czym, obserwowany był ponowny wzrost szybkości narastania naprężeń (do ok. 3N/K), utrzymujący się praktycznie aż do temperatury 562ºC. Najintensywniej naprężenia narastały w przedziale temperatur 400-340ºC, osiągając na jego końcu maksimum prędkości wzrostu (28 N/K). Od tej temperatury począwszy, szybkość zmian naprężeń systematycznie malała, osiągając wartość ok. 8 N/K w temperaturze 250ºC, w której pomiar zakończono.
507 Rys. 3. Siła rozciągająca i jej pochodna po czasie Fig. 3. Tensile force and its time derivative Rys. 4. Siła rozciągająca i jej pochodna w funkcji temperatury metalu Fig. 4. Tensile force and its temperature derivative versus metal temperature
508 4. PODSUMOWANIE Przedstawione stanowisko pozwala prowadzić badania rozwoju powstających w okresie krzepnięcia i studzenia metalu naprężeń rozciągających, wywoływanych skurczem hamowanym pręta o przekroju kwadratowym. Na stanowisku można prowadzić badania zarówno w formach metalowych, jak i piaskowych. Istotną zaletą stanowiska jest możliwość oceny wpływu długości pręta skurczowego na wielkość generowanych naprężeń w tych samych przedziałach temperatury metalu, co jest szczególnie istotne w badaniach skłonności metali i stopów do pęknięć na gorąco. Zastosowane w rozwiązaniu mikroprocesorowe techniki rejestracji i przetwarzania sygnałów pomiarowych w sposób istotny ułatwiają prowadzenie badań. LITERATURA [1] Studnicki A., Jura S., Kilarski J..: Badanie żeliwa chromowego na dylatometrze odlewniczym DO-01/P.Śl., Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998, s. 222-228. [2] Mutwil J., Niedźwiecki D., Żygadło M.: Skurcz swobodny siluminów podeutektycznych w formach metalowych, V Medzinarodne Metalurgicke Sympozium, Rajecke Teplice 9-10.09.1999, Słowacja, s. 47-52. [3] Żygadło M., Projekt mikroprocesorowego rejestratora do pomiarów w odlewnictwie, Raport wewnętrzny z projektu KBN Nr 7 T08B 032, Zielona Góra, 1999. W stanowisku wykorzystano mikroprocesorowy rejestrator wykonany w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B 032 16 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach 1999-2001. SUMMARY DEVICE FOR THE INVESTIGATION OF CASTING STRESSES A device to investigate of the development of shrinkage stresses, which appear during the processes of solidification and cooling of metals and alloys, has been presented. In the device the microprocessor recorder has been used for registering both the temperature of metal and the tensile force. Reviewed by prof. Władysław Orłowicz