6/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA GĘSTOŚCI CIEKŁYCH STOPÓW ALUMINIUM- KRZEM J. MUTWIL 1, A. ROMANKIEWICZ 2, R. ROMANKIEWICZ 3 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE Opisano stanowisko do szybkiej oceny gęstości ciekłych metali i stopów. Stanowisko badawcze pozwala w pojedynczym eksperymencie ustalić zależność gęstości ciekłego metalu od temperatury. Opisano badania gęstości dwuskładnikowych stopów Al-Si oraz nadeutektycznego siluminu technicznego. Key words: density of liquid aluminum-silicon alloys 1. WPROWADZENIE Jednym z parametrów materiałowych, którego znajomości temperaturowej charakterystyki wymagają nowoczesne programy do symulacji procesu tworzenia odlewu jest gęstość ciekłych metali i stopów. Wartości gęstości konkretnych stopów komercyjnych w stanie ciekłym, a tym bardziej jej temperaturowych charakterystyk literatura fachowa praktycznie nie podaje. Dotyczy to również powszechnie stosowanych w odlewnictwie siluminów. W obszernym opracowaniu książkowym dotyczącym aluminium i jego stopów Mondolfo [1] podaje jedynie wyrywkowe informacje na temat gęstości. Dla siluminów podaje między innymi, że krzem w roztworze, zarówno ciekłym jak i stałym powoduje wzrost gęstości stopu, natomiast wydzielenie się krzemu pierwotnego i eutektycznego prowadzi do jej obniżenia. Autor ten podaje też, że siluminy o koncentracji krzemu z przedziału 7-12% wykazują w temperaturze likwidus gęstość: 2430-2460 kg/m 3, która w temperaturze 1300 K spada do poziomu 2290 kg/m 3. W pracy [2] autor przedstawił propozycję wykorzystującego 1 dr hab. inż., prof. UZ, jmutwil@iipm.uz.zgora.pl; 2 student V roku WM- UZ 3 mgr inż.,
54 prawo Archimedesa stanowiska pozwalającego na łatwe wyznaczanie charakterystyk temperaturowych gęstości ciekłych metali i stopów. Zasadniczym problemem w tej metodzie jest rozpuszczanie się w ciekłym metalu pogrążanego próbnika (najczęściej platynowy) i linki, na której jest on podwieszony [3, 4]. Wspomniane problemy ograniczono, wykonując próbnik grafitowy. Za wyborem grafitu przemawiały: mały współczynnik akumulacji ciepła i rozszerzalności termicznej, słaba zwilżalność i rozpuszczalność przez ciekłe metale (za wyjątkiem stopów żelaza) oraz niska cena. 2. OPIS STANOWISKA I BADAŃ Schemat stanowiska z zastosowaniem próbnika grafitowego przedstawiono na rysunku 1. 6 a) b) 3 11 7 Ø5 Ø38x30 4 12 6 8 9 10 Ød 5 h 3 4 5 2 1 ØD H Rys.1. Stanowisko do badania gęstości ciekłych metali i stopów: a) schemat próbnika; b) schemat stanowiska: 1 piec oporowy, 2 tygiel z badanym metalem, 3 grafitowy próbnik, 4 obciążnik, 5 wkręty kontroli głębokości zanurzenia, 6 linka podwieszenia, 7 czujnik siły, 8 termoelement, 9 mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16, 10 - komputer PC, 11 ramię podnośnika, 12 układ kontroli zanurzenia próbnika Fig.1. Test stand for density examination of liquid metals and alloys: a) schematic diagram of sinker; b) schematic diagram of test stand: 1 resistance furnace, 2 crucible with examined metal, 3 graphite sinker, 4 bob, 5 immersion deep control screws, 6 suspension wire, 7 force sensor, 8 thermocouple, 9 microprocessor register PDOC- 16, 10 - PC, 11 lift arm, 12 control system of sinker immersion
55 Rysunek 1a pokazuje, że wykonany z grafitu walcowy próbnik właściwy o średnicy D=30mm i wysokości H=35 mm pogrążany jest w metalu na głębokość h=10 mm. Próbnik właściwy łączony jest z linką zawieszenia 6 (drut termoparowy NiCr: 0.3 mm) za pośrednictwem zanurzonej w metalu na głębokości h walcowej końcówki o średnicy d=5.5 mm i walcowego trzpienia o średnicy 5 mm. Takie rozwiązanie próbnika eliminuje problem rozpuszczania linki w ciekłym metalu, wymaga jednak uwzględnienia we wzorze obliczeniowym objętości walca d x h. Odpowiedni ciężar grafitowego próbnika pomiarowego zapewnia wsuwany na jego walcowy trzpień 5 mm, stalowy (stal WCL) obciążnik 4. W dolnej części obciążnik posiada dwa ramiona z wkrętami 5 do ustawiania i kontroli głębokość zanurzenia h. Przed pomiarem wkręty te ustawia się w takiej pozycji (wkręca i wykręca oraz ostatecznie blokuje nakrętką), aby ich ostrza były odległe od górnej podstawy walca D x H o wartość h (stosuje się w tym celu płytkę wzorcową o grubości h). Próbnik opuszczany jest do tygla z badanym metalem za pomocą ruchomego ramienia podnośnika kolumnowego 11, aż do momentu, gdy zapalenie się żarówki z układu 12 zasygnalizuje poprawną głębokość pogrążenia. Zmianę ciężaru próbnika na skutek pogrążenia go w ciekłym metalu ocenić można dzięki czujnikowi siły 7, którego sygnał rejestrowany jest za pomocą mikroprocesorowego rejestratora 9. Dodatkowo rejestrowana jest mierzona termoelementem 8 temperatura ciekłego metalu. Badania można prowadzić w wersji przedstawionej na rysunku, bądź poza piecem, co przyspieszy prędkość stygnięcia stopu. Po uwzględnieniu wymiarów ogólnych z rys.1a i termicznych zmian wymiarowych próbnika, gęstość ciekłego metalu można wyrazić zależnością: c = F d T cos g 1 T p 1 3 (1) gdzie: ρ c - gęstość ciekłego metalu, kg/m 3, ΔF - zmiana ciężaru próbnika na skutek pogrążenia, N, - napięcie powierzchniowe metalu, N/m, θ - kąt zwilżania przez metal drążka d,, v p - całkowita objętość pogrążonego próbnika, m 3, g - przyśpieszenie ziemskie, m/s 2, β = 3 - współczynnik rozszerzalności objętościowej grafitu, K -1, =4 x10-6 - współczynnik rozszerzalności liniowej grafitu, K -1, ΔT = T m - 20, deg, T m - temperatura ciekłego metalu, C. Błąd pomiaru gęstości tą metodą jest sumą błędu: pomiaru siły, pomiaru wymiarów próbnika, pomiaru głębokości pogrążenia h oraz oceny napięcia powierzchniowego i kąta zwilżania. Błąd wynikający z dokładności pomiaru siły i wymiarów próbnika można ocenić, określając tzw. błąd maksymalny pomiaru. Błąd wynikający ze złego doboru napięcia powierzchniowego oraz kąta zwilżania można ograniczyć, wykonując
56 dwa równoległe pomiary na próbnikach różniących się jedynie średnicą D. Jeśli wykona się pomiary dla tej samej temperatury metalu, to można wyznaczyć wtedy rzeczywistą wartość wyrażenia cosθ z równania przedstawionego w pracy [2] (równanie uzyskano z przyrównania prawych stron równania (1) napisanych dla dwu różnych średnic próbnika). Dla sprawdzenia poprawności uzyskiwanych na stanowisku wyników przeprowadzono serię prób na aluminium i dwuskładnikowych stopach Al-Si: (AlSi0.85; AlSi1.65; AlSi4.0; AlSi5.4; AlSi6.9; AlSi9.4; AlSi12.5; AlSi18.0; Al Si21.5). Stopy sporządzono w piecu oporowym, wtapiając krzem do aluminium. Przeprowadzono też badania, w których dodając do aluminium kolejno krzem, magnez, miedź i nikiel uzyskano ostatecznie stop AlSi21Mg0.75Cu1.35Ni1.05. W badaniach tych wyznaczano gęstość każdorazowo po dodaniu kolejnego składnika. Wszystkie badania gęstości wykonywano poza piecem, co pozwoliło skrócić czas eksperymentu. Na rysunku 2 przedstawiono ilustrację pomiaru wykonanego dla stopu dwuskładnikowego AlSi21.5 - przedstawiciela stopów nadeutektycznych, dla których możliwy był pomiar gęstości również w przedziale temperatur krzepnięcia. Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i siły przedstawiono na rysunku 2a. Do określenia zależności gęstości badanego stopu od temperatury (rys. 2b) posłużył pomiar przedstawiony na rysunku 2a i równanie 1. Obliczenia wykonał opracowany przez J. Mutwila program do obsługi mikroprocesorowego rejestratora PDOC-16. W celu przeprowadzenia obliczeń należało wcześniej na wykresie 2a wskazać punkty charakterystyczne. Punkt A służy do wskazania wartości siły ciążenia przed pogrążeniem próbnika. Punkty B i C wskazują przedział czasu po pogrążeniu próbnika, dla którego gęstość powinna być wyliczona. Obliczoną charakterystykę zmian gęstości we wskazanym przedziale temperatury program wyraża zależnością liniową: = at+b, podając jednocześnie wartości jej współczynników. Wyznaczona charakterystyka = at+b (linia fioletowa na rysunku 2b) pozwala ekstrapolować wyniki poza przedział B- C. Dla poprawności obliczeń istotny jest prawidłowy wybór początku przedziału (punkt B). Na rysunku 2a wyraźnie można zauważyć etap pogrążenia (szybki spadek siły) próbnika w metalu. Punkt B powinien być wybrany dla czasu, gdzie efekt ciśnienia dynamicznego wywołany pogrążaniem próbnika nie będzie już oddziaływał na rejestrowaną siłę, a nagrzanie się próbnika uwidoczni się stabilizacją prędkości stygnięcia metalu. Analiza wykresu 2b pozwala zauważyć, że w okresie przegrzania stop wykazywał quasi-liniową zależność gęstości od temperatury. W temperaturze likwidus wystąpiło chwilowe, niewielkie zmniejszenie gęstości, po czym gęstość zaczęła szybko wzrastać, aż do temperatury zaznaczonej na wykresie pionową linią przerywaną, by ponownie spadać przy dalszym obniżaniu się temperatury. Podobną tendencję odnotowano dla pozostałych stopów nadeutektycznych, a p otwierdzeniem tego jest ilustracja zmian gęstości stopów: AlSi21.5Mg0.75Cu1.35, AlSi21.5Mg0.75Cu1.35Ni1.05 (rys.3). Odnotowany przebieg zmian gęstości w zakresie temperatur krzepnięcia stopów nadeutektycznych jest niezgodny z oczekiwaniami (wydzielanie krzemu pierwotnego powinno skutkować zmniejszaniem
57 się gęstości). Tak dużych zmian nie można też wiązać ze spadkiem rozpuszczalności gazów. a) b) Rys. 2. Pomiar dla stopu AlSi 21.5%: a) zmiany temperatury metalu i ciężaru próbnika 30 mm; b) zależność gęstości od temperatury Fig. 2. Measurement for AlSi 21.5% alloy: a) changes of metal temperature and weight of 30 mm sinker; b) temperature dependency of density
58 a) b) Rys. 3. Zależność gęstości od temperatury a) AlSi21.5Mg0.75Cu1.35; b) AlSi21.5Mg0.75Cu1.35Ni1.05 Fig. 3. Temperature dependency of density: a) AlSi21.5Mg0.75Cu1.35; b) ASi21.5Mg0.75Cu1.35Ni1.05 Prawdopodobną przyczyną zaobserwowanego, pozornego wzrostu gęstości jest nieprawidłowe ukształtowanie próbnika grafitowego. Można bowiem założyć, że mające tendencję do wypływania z cieczy pierwotne kryształy krzemu, mogą być
59 podobnie jak pęcherze gazowe -zatrzymywane przez płaskie dno próbnika, powodując wzrost siły wyporu. W związku z powyższym przed podjęciem dalszych badań powinna zostać dokonana modyfikacja geometrii próbnika grafitowego. W zmodyfikowanej wersji dno próbnika powinno przyjąć formę odwróconego stożka, co utrudni gromadzenie się na nim wydzieleń. Wyniki wszystkich przeprowadzonych badań gęstości zebrano w tabeli 1. Dla każdego stopu podano tam wartości współczynników charakterystyki liniowej (a, b), temperaturę początku krzepnięcia oraz gęstość w temperaturze 800 C ( 800 ) i temperaturze likwidus ( TL ). Dla wszystkich stopów współczynniki charakterystyki liniowej są odpowiednie jedynie dla metalu przegrzanego (rys.2, 3). Tabela 1. Wyniki badań gęstości Table 1. Results of density investigations Stop TL, a, b, TL, C kg/m 3 C kg/m 3 800, kg/m 3 kg/m 3 A0 659-0.394 2646 2330 2387 AlSi0.85 655-0.345 2627 2348 2402 AlSi1.65 652-0.315 2609 2358 2405 AlSi4.0 632-0.355 2644 2360 2420 AlSi5.4 627-0.358 2657 2370 2433 AlSi6.9 615-0.369 2672 2374 2444 AlSi9.4 596-0.359 2661 2373 2448 AlSi12.5 576-0.341 2660 2380 2461 AlSi18.0 639-0.422 2731 2394 2465 AlSi21.5 685-0.195 2562 2405 2410 AlSi21.5Mg0.75 675-0.419 2691 2357 2411 AlSi21.5Mg0.75Cu1.35 670-0.313 2643 2391 2643 AlSi21.5Mg0.75Cu1.35Ni1.05 675-0.244 2598 2401 2435 3. PODSUMOWANIE Przedstawione dla stopów aluminium z krzemem badania zostały przeprowadzone w celu przetestowania opracowanego stanowiska do szybkiej oceny gęstości ciekłych metali i stopów. Uzyskane rezultaty potwierdzają ogólną poprawność przyjętych rozwiązań metodycznych. Badania przeprowadzone dla siluminów nadeutektycznych wskazały jednak na konieczność dokonania zmian w geometrii próbnika grafitowego. W zmodyfikowanej wersji dno próbnika powinno przyjąć formę odwróconego stożka, co utrudni gromadzenie się na nim gazowych i stałych wydzieleń, które wypływając z badanego metalu mogą zwiększać rejestrowaną siłę wyporu. Z uwagi na słabą zwilżalność grafitu przez ciekłe metale również górne sklepienie próbnika powinno mieć stożkowe zwieńczenie, co zapewni lepsze przyleganie metalu w miejscu jego połączenia z częścią walcową o średnicy d. W ostatecznym rozwiązaniu powinno się
60 również zastosować system przesłon eliminujących prądy konwekcyjne nagrzanego powietrza. Przeprowadzone badania wykazały dużą trwałość grafitu stosowanego na materiał próbnika (po przeprowadzonej serii badań nie odnotowano zmian wymiarowych próbnika). LITERATURA. [1] Mondolfo L.F.: Aluminum alloys: Structure and Properties, Butter Worths, London-Boston, 1976 [2] Mutwil J.: Stanowisko do badania gęstości ciek łych metali i stopów do tworzenia obciągnięć, Archiwum Odlewnictwa vol. 3, nr 8, 2003, s. 105-110. [3] Takamichi I., Guthrie I.: The physical properties of liquid metals, Clarendon Press, Oxford, 1988. [4] Wertman A.A, Samarin A.M.: Mietody issledovanja svojstv metalliceskych rasplavov, Izdatielstvo Nauka, Moskwa 1969 DENSITY INVESTIGATIONS OF LIQUID ALUMINUM-SILICON ALLOYS SUMMARY A test stand for fast estimation of density of liquid metals and alloys has been described. The test stand allow by single experiment to estimate the temperature dependence of liquid metal density. Density investigations of liquid binary aluminum-silicon alloys and hypereutectic commercial alloy have been described. Recenzował dr hab. Jan Szajnar