67/44 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 NOWE STANOWISKO DO BADANIA LEJNOŚCI J. MUTWIL 1, M. ŻYGADŁO 2, R. JANOWSKI 3, D. NIEDŹWIECKI 4 Wydział Mechaniczny Politechniki Zielonogórskiej STRESZCZENIE Przedstawiono stanowisko do badań lejności metali i stopów oparte na technologii odlewania niskociśnieniowego. Opisano nową koncepcję rejestracji przepływu metalu w kanale testowym 1. WPROWADZENIE Systematyczne badania procesu zalewania form odlewniczych mają już prawie stuletnią tradycję. W okresie tym opracowano wiele prób technologicznych do oceny zdolności metalu do wypełniania form, zwanych potocznie próbami lejności. Próbę oceny dotychczasowych rozwiązań stanowi praca [1]. W klasycznym podejściu oceniano wpływ rodzaju metalu, materiału formy i parametrów zalewania na drogę, jaką metal pokonał w prostym kanale testowym. Szybko się jednak okazało, że analiza samej długości zalania nie daje odpowiedzi na wiele istotnych pytań. We współczesnych badaniach, szczególnie tych o charakterze naukowym, powinno się również rejestrować przebieg przepływu, temperaturę metalu w czole strugi i wybranych punktach formy. Tylko takie podejście gwarantuje możliwość poprawnej oceny wpływu wszystkich czynników decydujących o zdolności metalu do wypełniania wnęki formy. W systematycznych badaniach szczególnego znaczenia nabiera problem powtarzalności warunków eksperymentu. Dlatego też, w badaniach podstawowych praktycznie zrezygnowano z grawitacyjnych prób lejności na rzecz tzw. prób zasysania [2, 3]. Bardzo dobrą powtarzalność warunków eksperymentu zapewniała również próba polegająca na pogrążaniu formy testowej w tyglu z badanym metalem [4]. Dodatkową zaletą tego rozwiązania była możliwość zastosowania prostych technik rejestracji 1 Dr hab. inż., e-mail: jmutwil@wm.pzgora.pl 2, Mgr inż. 3 Mgr inż. 4 Mgr inż.
498 przebiegu przepływu. Istotną wadą tej metody był wysoki koszt eksperymentów, wynikający z konieczności stosowania ceramicznych osłon na pogrążane formy. Mając na uwadze mankamenty dotychczas stosowanych rozwiązań, postanowiono opracować próbę, w której wypełnianie formy testowej badanym metalem realizowane jest wg technologii odlewania niskociśnieniowego. 2. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 1b. Tygiel z badanym me- talem znajduje się w szczelnie zamykanej, stalowej komorze 4 oporowego pieca grzewczego. Rys. 1. Stanowisko do badań lejności; (a) - schemat idei pomiarowej: 1- termoelement, 2- elektroda kontaktowa; (b) - schemat stanowiska: 1-tuleja testowa, 2-wnęka wstępna, 3- czop, 4- stalowa komora pieca, 5-pokrywa komory, 6- grafitowa rura, 7- liniowy silnik krokowy, 8- ruchoma elektroda kontaktowa, 9- termoelement, 10- czujnik ciśnienia, 11- wlot i wylot powietrza, 12- sterownik silnika, 13- mikroprocesorowy rejestrator, 14- mikrokomputer Fig. 1. Stand for fluidity investigation; (a) - scheme of measuring idea: 1- thermocouple, 2- contact electrode; (b) scheme of stand : 1-test sleeve, 2-entrance cavity, 3- peg, 4- furnace steel chamber, 5-chamber s cover, 6- graphite pipe, 7- linear stepper motor, 8- movable contact electrode, 9- thermocouple, 10- pressure sensor, 11- outlet and inlet of air, 12- motor controller, 13- microprocessor recorder, 14- microcomputer
499 Komora 4 zamykana jest profilowaną, stalową pokrywą 5. Do dna pokrywy zamocowana jest gwintowana tuleja żeliwna, do której wkręcana jest grafitowa rura 6. Do dna pokrywy wkręcone są również przelotowo dwie stalowe rurki. Pierwsza z nich służy do zainstalowania analogowego manometru 10, druga umożliwia wprowadzenie termoelementu 9 do ciekłego metalu. Wolna przestrzeń pokrywy wypełniona jest materiałem ogniotrwałym, a jej zamknięcie od góry stanowi płyta stalowa. Rura grafitowa wkręcona jest tak, że jej końcówka wystaje 5 mm ponad płaszczyznę pokrywy. Na końcówkę rury grafitowej nakładany jest segment wnęki wstępnej 2, na którym ustawiana jest wnęka kanału testowego 1. Szczelina wlewowa ustalana jest drogą wkręcania/wykręcania czopa zamykającego 3. Formy testowe 1 mogą być zarówno metalowe, jak i piaskowe. Dla form metalowych (stal WCL) stosowane są pojedyncze kanały przepływowe φ 12, 14, 16 mm. Forma piaskowa zawiera po trzy kanały φ 4, 6.5, 10 mm. W każdym przypadku długość kanałów przepływowych wynosi 180 mm. W formach metalowych wywiercone zostały otwory pozwalające na wprowadzanie termoelementów płaszczowych φ 1mm. Rozmieszczenie końcówek pomiarowych tych termoelementów ukazano schematycznie za pomocą kropek (rys. 1b). Schemat pokazuje, że istnieje możliwość pomiaru temperatur na pięciu różnych poziomach od wlotu do kanału. Rząd pierwszych trzech otworów znajduje się na poziomie 20 mm, a kolejne są od siebie oddalone o dalsze 20 mm. Na każdym poziomie istnieje jeden otwór przelotowy oraz dwa oddalone od powierzchni kanału odpowiednio o 2 i 4 mm. Na trzecim poziomie istnieje jeszcze niewidoczny na schemacie czwarty otwór, odległy od powierzchni kanału o 0.5 mm. Segment wnęki wstępnej jest dzielony, a na powierzchni podziału istnieje niewidoczny na rysunku rowek, pozwalający na wprowadzenie termoelementu mierzącego temperaturę metalu w centralnym jej punkcie. Przedstawiona schematycznie na rysunku 1b elektroda kontaktowa 8, składa się w rzeczywistości (rys. 1a) z właściwej elektrody 2 i termoelementu płaszczowego 1 (tutaj φ0.5mm typ K). Termoelement wysunięty jest względem ostrza elektrody o zadaną wartość h (np. 5mm). Ruch elektrody wywoływany jest za pomocą krokowego, liniowego silnika 7 firmy Normag. Ruch odbywa się systemem mikrokroków o ziarnie 0.06mm i następuje jedynie w momencie zetknięcia czoła strugi z ostrzem elektrody. Chwilowa prędkość ucieczki elektrody wynosi 0.18 m/s. Pracą silnika steruje, zaprojektowany przez M. Żygadło, moduł sterownika 12, który przekazuje jednocześnie do mikroprocesorowego rejestratora 13 cyfrowy sygnał pomiarowy (impulsy silnika krokowego). Sterownik 12 umożliwia również dokładne wprowadzanie elektrody kontaktowej do przestrzeni kanału testowego. Elektroda wprowadzana jest w osi kanału do poziomu połowy wysokości wnęki wstępnej. Po ustaniu przepływu metalu, sterownik automatycznie usuwa elektrodę z kanału. Mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16 rejestruje również sygnały z zainstalowanych termoelementów oraz analogowego czujnika ciśnienia (czujnik XFMP-025KPG firmy Sensor Technik). Wspomniany rejestrator zaprojektowano z myślą o pomiarach w odlewnictwie [5]. Dzięki możliwości jednoczesnej rejestracji sygnałów w 17 niezależnych kanałach pomiarowych z częstotliwością do 1000 Hz i bez przesunięć czasowych pomiędzy kanałami, nadaje się on szczególnie do opisywanych tu pomiarów.
500 Założone nadciśnienie w komorze pieca wywoływane jest po otwarciu zaworu wlotowego 11, co powoduje ekspansję sprężonego powietrza z niewidocznego na rysunku zbiornika wyrównawczego, o pojemności 160 litrów (objętość czynna komory pieca wynosi 20 litrów). Zbiornik wyrównawczy połączony jest ze sprężarką. Posiada on dokładny manometr zegarowy (działka elementarna 0.1 mbar) i dodatkowy zawór wypustowy, co pozwala precyzyjnie ustalać wartość wymaganego nadciśnienia. Po ustaniu przepływu metalu nadmiar powietrza wypuszczany jest przez zawór wylotowy 11. Otwarcie zaworu wylotowego w trakcie przepływu pozwala w prosty sposób realizować badania mechanizmu krzepnięcia strugi metodą wylewania resztek. W badaniach tych, równocześnie z otwarciem zaworu wylotowego powinno się nieco unieść czop 3 ustalający wielkość szczeliny doprowadzającej metal do wnęki wstępnej. Założoną, teoretyczną prędkość zalewania ustalać można drogą doboru wartości nadciśnienia, bądź szczeliny doprowadzającej, bądź też obu parametrów jednocześnie. Omawiane stanowisko badawcze pozwala również na stosowanie kontrolowanej atmosfery pieca, szczególnie w okresie czasu pomiędzy kolejnymi eksperymentami. W tym celu przez zawór wylotowy, przy jednocześnie otwartym zaworze wlotowym, można wprowadzić do komory pieca np. azot. Pojedynczy eksperyment przeprowadzany jest wg niżej opisanego schematu. Po osiągnięciu przez metal założonej temperatury, instaluje się na piecu formę testową oraz wprowadza do niej zaplanowane termoelementy. Jednocześnie kontrolowana jest temperatura formy i w przypadku gdy jest niewłaściwa, formę się podgrzewa lub studzi, stosując nagrzewnicę nadmuchową z włączonym lub wyłączonym grzaniem. Jednocześnie do zbiornika wyrównawczego wprowadzane jest powietrze do ustalonej wartości ciśnienia. Po wprowadzeniu do wnęki wstępnej czopa na głębokość zapewniającą uzyskanie założonej szczeliny doprowadzającej, opuszcza się elektrodę kontaktową do kanału testowego. W tym samym czasie, po wyborze opcji rejestracji, podaje się programowi zarządzającemu pomiarem jego parametry (czas pomiaru i częstotliwość zbierania danych, aktywne kanały pomiarowe). Po tej operacji rejestrator jest gotowy do automatycznego uruchomienia procesu rejestracji w momencie zetknięcia się metalu ze wskazanym programowo termoelementem (tutaj termoelement umieszczony we wnęce wstępnej). Eksperyment rozpoczyna się z chwilą otwarcia zaworu wlotowego. 3. PRZYKŁAD POMIARU Poniżej, na rysunku 2 przedstawiono ilustrację graficzną sygnałów zarejestrowanych w eksperymencie wykonanym dla siluminu dwuskładnikowego AlSi8%. Badany silumin wykazywał temperaturę w piecu na poziomie 700ºC, a forma testowa podgrzana była do 100ºC. Zalewanie kanału φ16mm formy metalowej odbywało się przy nadciśnieniu początkowym 160 mbar. Szczelina doprowadzająca miała wysokość 1 mm, co dawało przekrój wlewu doprowadzającego o powierzchni 10mm 2. Termoelementy stałe zainstalowano na pierwszych trzech poziomach tulei testowej (9 sztuk) oraz jeden we wnęce wstępnej. Termoelementy umieszczone w
501 otworach przelotowych tulei testowej wprowadzono tak, aby ich końcówki pomiarowe pozwalały rejestrować temperaturę powierzchni odlewu. Wskazania tych termoelementów reprezentują na rysunku 2 krzywe T3, T4, T5. Indeksy liczbowe wskazują odpowiednio na termoelement na pierwszym, drugim i trzecim poziomie. Temperatury w ściance kanału ilustrują natomiast krzywe T6-T12. Krzywa T1 odpowiada temperaturze metalu we wnęce wstępnej, natomiast temperaturę czoła strugi reprezentuje krzywa T2. Linią pogrubioną przedstawiono krzywą przepływu h(t) oraz krzywą nadciśnienia p(t). Uzyskane krzywe mogą stanowić podstawę do wszechstronnej analizy procesu zalewania kanału formy. Pozwalają też na bezpośrednie odczytanie tak ważnych informacji, jak wartość temperatury czoła strugi, przy której metal stracił zdolność do przepływu, czy też wartość temperatury likwidus w warunkach przepływu. Rys. 2. Ilustracja zarejestrowanych sygnałów pomiarowych Fig. 2. Illustration of registered signals Analiza krzywej nadciśnienia pozwala zauważyć jego powolny, liniowy spadek w okresie zalewania formy. Jest on sumarycznym efektem wzrostu objętości komory pieca na skutek obniżania się lustra metalu w okresie zalewania oraz ewentualnych nieszczelności układu. Na krzywej widoczny jest też wyraźnie moment otwarcia zaworu wylotowego. Rejestrowane w zaproponowanej procedurze pomiarowej sygnały pozwalają nie tylko wypowiedzieć się o przebiegu procesu, lecz- co jest równie ważnepozwalają precyzyjnie określić jego warunki początkowe. Tym samym spełniony został postulat o jednoznaczności i powtarzalności warunków prowadzenia badań.
502 4. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy stanowisko do badań lejności metali i stopów oparte zostało na technologii odlewania niskociśnieniowego. Zastosowane rozwiązanie pozwala na sprawne wykonywanie dużych serii badań, przy zachowaniu powtarzalności i jednoznaczności warunków prowadzenia eksperymentu. Opracowana, nowa wersja urządzenia do pomiaru przemieszczeń i temperatury czoła płynącej strugi, dzięki zastosowaniu liniowego silnika krokowego, pozwala rejestrować przebieg zapełniania kanału testowego z dokładnością do 0.06 mm. Również nowa wersja mikroprocesorowego rejestratora o rozdzielczości 16 bitów i częstotliwości zbierania sygnałów do 1000Hz, zapewnia wzrost dokładności pomiarów w stosunku do wcześniejszych rozwiązań autorów. LITERATURA [1] Campbell J., Review of fluidity concepts in casting, Cast Metals, v. 7, nr 4, s. 227-237. [2] Flemings M. C., Fluidity of metals-techniques for producing ultra-thin section castings, British Foundryman, v. 6, 1964, s. 312-324. [3] Bydałek A., ZN Politechniki Wrocławskiej, Mechanika 123, z. XVII, Wrocław 1965 [4] Mutwil J., Monografia 63 WSI w Zielonej Górze, Zielona Góra 1992 [5] Żygadło M., Projekt mikroprocesorowego rejestratora do pomiarów w odlewnictwie, Raport wewnętrzny z projektu KBN Nr 7 T08B 032, Zielona Góra, 1999. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B 032 16 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach 1999-2001. SUMMARY NEW STAND FOR FLUIDITY INVESTIGATION A new stand for the investigation of metals and alloys fluidity based on the low-pressure casting technology has been presented. A new concept of registration of the metal flow in a mould channel has been described. Reviewed by prof. Zbigniew Górny