19/9 Archives of Foundry, Year 003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN 164-5308 SYMULACJA KRZEPNIĘCIA BRĄZU ALUMINIOWEGO BA103 Z WERYFIKACJĄ DOŚWIADCZALNĄ Z. GÓRNY 1, S. KLUSKA-NAWARECKA, H. POŁCIK 3 1,3 Instytut Odlewnictwa 30-418 Kraków, ul. Zakopiańska 73 Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, al. Mickiewicza 30 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono rezultaty wybranych badań z zakresu krzepnięcia brązu aluminiowego BA103. Badania obejmują eksperymenty fizyczne realizowane dla odlewu próbnego o zmiennej grubości ścianki. Badania eksperymentalne zweryfikowano badaniami symulacyjnymi. Wyniki badań doświadczalnych dla metalu i formy w dużym stopniu pokrywają się z krzywymi symulacyjnymi i świadczą o przydatności wypracowanego modelu. Key words: computer simulation, aluminum bronze 1. WPROWADZENIE W ramach badań prowadzonych w projekcie badawczym KBN 7-TO8B-005-0 sięgnięto również do stopów przemysłowych i między innymi do brązu aluminiowego BA103. Zastosowano w oparciu o poprzednie doświadczenia - jako podstawę do symulacji równanie przewodnictwa cieplnego Fouriera-Kirchoffa uzupełnianego członem reprezentującym proces krystalizacji. Dla modelu równowagi eutektycznej skorzystano z zespołu równań T t K T c g x T y T L z c H f s t (1) 1 prof. dr hab. inż. prof. dr hab. inż., nawar@iod.krakow.pl 3 dr, hpolcik@iod.krakow.pl
141 fs N(t)= T(t) () dr dt t T (3) T(t) = T E T(t) (4) 4 3 t n N t R t przy czym: K stała krzepnięcia, c ciepło właściwe, g masa, L H utajone ciepło krzepnięcia, Ψ- stała doświadczalna, - stała doświadczalna dla eutektycznych lub dendrytycznych ziarn, T E temperatura eutektyczna, n liczba wytworzonych ziarn w fazie stałej, T temperatura (K, o C), t czas (s, min). Weryfikację doświadczalną prowadzono w oparciu o wcześniej opracowany model odlewu próbnego w postaci walca pionowego z niesymetrycznym otworem (rys 1). Do badań weryfikujących wykorzystano formy piaskowe z mas ze szkłem wodnym i rdzeniem ze spoiwem B1 (żywica mocznikowo-furfurylową utwardzane akadurem). Odlew wykonano w formie złożonej z -ch skrzynek 50x130. Formowanie ręczne z ubijaniem kolejnych warstw. Punkty pomiarowe usytuowano wg koncepcji na rys 1.Badany brąz aluminiowy posiadał wg dostawcy - zawartość: 10,3%Al., 3,1%Fe i 1,5%Mn. W badaniach pola temperatury krzepnącego i stygnącego odlewu wykorzystano termoelementy NiCr-Ni (typ K) o średnicy 0,4 mm dla punktów pomiarowych w masie formierskiej i 0,8 mm dla pomiarów w ciekłym metalu. Termoelement kontrolny PtTh10-Pt uwierzytelniony został w Urzędzie Miar, a cechowanie poszczególnych termoelementów przeprowadzono z wykorzystaniem przyrządu kontrolnego Simensa Calibrator 05 7NH 011. Badania eksperymentalne prowadzono w Instytucie Odlewnictwa a symulacyjne również w AGH.. SYMULACJA KRZEPNIĘCIA I STYGNIĘCIA W oparciu o wzory 1-5 przygotowano symulację prowadzoną w systemie Magma. Rysunek przedstawia symulacyjny rozkład temperatur w formie oraz odlewu w czasie 38 min od zalania. Krzywe przedstawiono na rys. Punkty pomiarowe 1-5 są usytuowane na płaszczyźnie zetknięcia metalu z formą w układzie pionowym (rys 1); podobnie jest usytuowany punkt 14 w przekroju poziomym formy w płaszczyźnie jej podziału. Punkty 6-11 odpowiadają punktom znajdującym się w masie formierskiej w odległości odpowiednio: 1,65 mm dla punktu 6, 8,5 7, 5,9 8, 5,0 9, 7,0 10 oraz 1,65 11 od części odlewu o większej masie (od strony grubszej ścianki); punkt (5)
300 50 14 13 znajduje się w odległości 10 mm od cieńszej ścianki. Punkt 1 odpowiada punktowi pomiarowemu dla metalu. metal rdzeń 5 5 5 5 4 3 m a s a 5 1 0 1 13 7 6 10 10 5 14 4 10 11 0 10 8 9 10 300 Rys. 1. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych w odlewie próbnym i formie przy odlewie próbnym ze stopu BA103 Fig. 1. Schematic representation of the distribution of measuring points in pilot casting and in mould for BA103 Analizując krzywe symulacyjne to po upływie 9 min od zalania (blisko maksimum dla krzywych reprezentujących temperaturę formy, masy formierskiej) uszeregowanie jest następujące: 13 730, 8 75, 9 690, 7 645, 10 595, 5 500, 14 480, 6 460, 11 450 co w zasadzie odpowiada zróżnicowanej odległości od koncentracji
143 metalu i jego wpływu na zmiany temperatury w formie; wpływ ten jest wyraźny, ale przy odległości ponad 10 mm już bardzo mały. Rys.. Krzywe symulacyjne rozkładu temperatur w odlewie próbnym ze stopu BA103 (metal i punkty zetknięcia); krzywe dla punktów pomiarowych w formie (z lewej); krzywe dla punktów pomiarowych o dużej intensywności chłodzenia (z prawej) Fig.. Temeperature distribution in pilot casting made from BA103 alloy( metal and contact points); curves for points in mould (left) and curves for points with large cooling intensity (right); simulation data Przebieg krzywych -4 jest charakterystyczny dla metalu i przebiegu z przystankiem początkowym na krzepnięcie eutektyki; punkt 5 odbiega swoim charakterem bo znalazł się wbrew planom w formie. 3. WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA Rysunek 3 przedstawia rozkład temperatur w badaniach weryfikujących. Najwyższa temperatura osiąga punkt 1, reprezentujący temperaturę metalu; przebieg podobny - częściowo o bardziej płaskich maksymach - mają krzywe dla punktów 1,,4,5 a więc dla punktów na powierzchni zetknięcia metal-forma w układzie pionowym oraz punkt 14 reprezentujący zetknięcie metalu z formą przy cieńszej ściance. Pozostałe krzywe mają przebieg typowy dla masy.
144 Rys. 3. Badania eksperymentalne próbnego odlewu ze stopu BA103; rozkład temperatur w odlewie i formie; punkty pomiarowe wg rys 1 Fig. 3. Temperature distribution in pilot casting made from BA103 alloy in mould and metal; exeprimental data; see Fig. 1 Rysunek 4 przedstawia prędkości chwilowe zmian temperatury (pierwsze pochodne dt/dx) dla wybranych punktów 1-5 (bez 3) czyli dla punktów pomiarowych na powierzchni zetknięcia metal-forma. Maksymalne wartości dt/dt sięgają 900 o C/s w czasie 76-77s po zalaniu; powyżej 83s przebieg jest ustalony o wartości ok. 0 o C/s. Przebieg krzywej dla punktu 5 jest nietypowy z lokalnymi ujemnymi wartościami dt/dt i dwoma pikami; w części podobny choć znacznie mniej intensywny jest przebieg dla punktu 4.
145 Rys. 4. Wartości dt/dt przy badaniu stopu BA103 Fig. 4. Values dt/dt for BA103 alloy Rysunek 5 przedstawia gradienty temperatury dla wybranych par punktów pomiarowych; wszystkie dane obejmują gradient z punktu pomiarowego dla metalu (1). Wyróżnia się gradient o wartości maksymalnej o ok. 85 K/mm dla pary 1-13 czyli przepływu ciepła z metalu do punktu usytuowanego na powierzchni zetknięcia. Pozostałe pary odniesione do metalu i formy mają przebieg zbliżony o wartości maksimów 6-41 K/mm.
146 1-8 1-9 1-7 1-10 1 1-6 Rys 5. Gradienty (dt/dx) wybranych par punktów pomiarowych dla stopu BA103 Fig. 5. Gradients (dt/dx) for the chosen pairs of points BA103 alloy 4. WNIOSKI 1. Analiza wyników badań symulacyjnych i doświadczalnych wykazuje bardzo zbliżony charakter obu rodzin krzywych T=f(t); dotyczy to zarówno punktów pomiarowych dla formy jak i metalu czy powierzchni zetknięcia. Punkty pomiarowe dla powierzchni zetknięcia pomimo, że w większości przypadków wykazują wyraźnie wpływ metalu to nie zawsze są w pełni wiarygodne 3. Uzyskane wyniki potwierdzają w pełni możliwość substytucji doświadczalnictwa przez symulacje w przyjętym układzie LITERATURA [1] Górny Z., Kluska-Nawarecka S., Połcik H.: Pilot Castings and Tests Performed to Evaluate Temperature Field and Solidification Kinetics in Casting Made from HC Copper, Acta Metalurgica Slovaca, 3/001, 1-5. [] Górny Z., Mochnacki B., Suchy J.: An Example of Virtual Representation of Copper Blast Furnace Tuyere Casting as a Method for Optimization of Technology, 64 WFC Paris 000, paper PL60.
147 [3] Górny Z.: Odlewnicze Stopy Metali Nieżelaznych, WNT-Warszawa 199. [4] A research project KBN: 7-TO8B-005-0. [5] Połcik H., Kluska-Nawarecka S., Bieniasz S., Warmuzek M.: Simulation and control of solidification processes, Management and control of production and logistics, First edition 001, Edited by Z. Binder - Great Britain, s.551-554. [6] Kluska-Nawarecka S., Połcik H., Pączek Z.: Problemy symulacji i sterowania krystalizacją odlewu. Zastosowanie komputerów w zakładach przetwórstwa metali - Materiały 9. Konferencji, AGH-Krakow 00r, ISBN 83-7108-080-8, s.79-84. COMPUTER SIMULATION AND EXPERIMENTAL MEAS UREMENTS OF THE BA103 ALUMINUM BRONZE SOLIDIFICATION SUMMARY The paper presents the results of some selected studies on the solidification of BA103 aluminum bronze. The studies covered physical experiments carried out on a pilot casting of variable wall thickness. The results of experiments were verified by simulation tests. A satisfactory consistency was reported to exist between the results of experiments made on metal and mould and the plotted simulation curves which proves the applicability of the developed model. Recenzowała Prof. Ewa Majchrzak