KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 8 nr Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 008 MIECZYSŁAW HAJKOWSKI *, ŁUKASZ BERNAT ** OCENA ZA POMOCĄ KRYTERIÓW KRZEPNIĘCIA POROWATOŚCI I ROZDROBNIENIA STRUKTURY W ODLEWACH ZE STOPU Al W artykule przedstawiono krzywe stygnięcia odlewu płyty z modyfikowanego stopu EN AC-AlSi7Mg krzepnącego w różnych warunkach cieplnych. Oceniono przydatność trzech kryteriów krzepnięcia do opisu zmiany udziału porowatości w odlewach. Za pomocą dwóch kryteriów określono wpływ warunków krzepnięcia na udział porowatości i na średnią odległość między gałęziami w dendrytach. Słowa kluczowe: stop Al, porowatość, DAS, kryteria warunków krzepnięcia. WPROWADZENIE Zarówno makro-, jak i mikroporowatość występująca w odlewach w postaci skupisk małych jam skurczowo-gazowych powstających podczas krzepnięcia lokalnych objętości, izolowanych w procesie krzepnięcia od miejsca zasilania ciekłym stopem, jest zjawiskiem niepożądanym. Właściwie we wszystkich odlewach występuje w jakiejś skali porowatość. Porowatość odlewów ze stopów aluminium wzrasta, gdy zmniejsza się szybkość stygnięcia i wzrasta zawartość wodoru w stopie. W stopach modyfikowanych strontem jej udział jest większy niż w niemodyfikowanych []. Fazy powstające podczas krystalizacji w niższej temperaturze niż eutektyka (α+si) także mają wpływ na wzrost porowatości [, ]. Znajomość zagadnień związanych z udziałem porowatości w odlewach jest szczególnie ważna w przypadku odlewów obciążonych zmęczeniowo. Celem badań było określenie wpływu warunków krzepnięcia, opisanych za pomocą różnych kryteriów krzepnięcia, na udział porowatości i na odległość między gałęziami w dendrytach mikrostruktury odlewów ze stopu EN AC-AlSi7Mg modyfikowanego strontem i TiB. * Dr hab. inż. ** Mgr inż. Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej.
8 M. Hajkowski, Ł. Bernat. METODYKA BADAŃ Udział porowatości P i odległości między gałęziami w dendrytach (DAS) badano na próbkach wyciętych z odlewów płyty odlewanej pionowo o wymiarach podanych na rys.. Odlewy wykonano ze stopu aluminium zawierającego 6,% Si, 0,0% Mg, 0,% Fe, 0,0% Mn, 0,0% Cu. Szkic formy także pokazano na rys.. Stop modyfikowano strontem w ilości 0,0% i TiB w ilości 0,0% masy wsadu. Stosowano stałe warunki przygotowania ciekłego stopu, tj. żużel przykrywający, rafinację w celu usunięcia zanieczyszczeń stałych i gazowych. Warunki krzepnięcia odlewów zmieniano za pomocą różnicowania materiałów formy (tabl. ). Materiały zastosowane na elementy formy Materials of the moulds elements Tablica Element formy Oznaczenie formy P-P P-Och M-Och kombinacje materiałów Odtwarzający powierzchnie boczne i górną płyty P P M Odtwarzający dolną powierzchnię płyty P Och Och P masa wysuszona z piasku kwarcowego wiązana: glinką bentonitową 6% i dekstryną %, Och ochładzalnik z miedzi z pokryciem grafitowym, M masa z mikrosfer (izolacyjna) wiązana: glinką bentonitową 6% i dekstryną %. Miejsce położenia wlewu doprowadzającego ma wpływ na porowatość i rozkład temperatury w odlewie, dlatego przeprowadzono pomocnicze badania symulacyjne (program Nova Flow & Solid) wypełniania wnęki formy. Na ich podstawie przyjęto położenie wlewu doprowadzającego w odległości około 80 mm od dolnej podstawy płyty. Takie położenie wlewu mniej zakłóca krzepnięcie ukierunkowane niż doprowadzenie stopu od dołu, mimo że zwiększa prędkość ruchu ciekłego stopu o około 0% (rys. ) w małej warstwie dolnej części płyty. Formy zalewano stopem o temperaturze 70 ± C. Warunki krzepnięcia odlewów (gradient temperatury przed frontem krzepnięcia, szybkość stygnięcia, prędkość i czas krzepnięcia) w okresie wzrostu:, + eutektyki (α+si) i + eutektyki (α+si) + eutektyki Mg wyznaczono na podstawie krzywych stygnięcia w miejscach odlewu (rys. ). Pomiary temperatury wykonano termoparami płaszczowymi NiCr-Ni o średnicy mm z dodatkową osłoną ze stali chromowo-niklowej (średnica zewnętrzna,7 mm). Wyniki pomiaru temperatury zapisywano z użyciem rejestratora EUROTHERM typu 00 V. Oceniano przydatność następujących kryteriów do opisu zależności zmiany P w odlewie od warunków krzepnięcia:
Ocena za pomocą kryteriów krzepnięcia porowatości i rozdrobnienia struktury 9 Niyamy [, 7]: proponowanego do stpów Al przez Lee [6]: K N =, () R K L =, () t proponowanego do stopów Al przez Kao i Chang []: 0,8 K K =, (),6 υ gdzie: gradient temperatury przed frontem krzepnięcia [ C/cm], R szybkość stygnięcia [ C/s], υ prędkość krzepnięcia [cm/s], t czas krzepnięcia [s]. Rys.. Schemat formy doświadczalnej, miejsca pomiaru temperatury Fig.. Experimental mould scheme, temperature measurement points
0 M. Hajkowski, Ł. Bernat Udział objętościowy porowatości określono na podstawie pomiaru gęstości próbek o wymiarach około 0 mm wyciętych z odlewów w miejscach (rys. ). Wyniki badań gęstości odniesiono do gęstości teoretycznej obliczonej na podstawie gęstości pierwiastków wchodzących w skład stopu: ρ teoret = =,6806 g/cm. Badania gęstości wykonano na wadze z przystawką do badania gęstości (METTLER TOLEDO Xs0 Dual Range) o dokładności pomiaru 0,0 mg dla obciążenia 0 g. Porowatość została obliczona z zależności: gdzie: ρ teoret gęstość teoretyczna, ρ rzecz gęstość zmierzona. P = [ (ρ rzecz /ρ teoret )] 00 [%], () Rys.. Prędkość ciekłego stopu w chwili zalania formy Fig.. Liquid alloy velocity in instant pouring of mould Odległość między gałęziami dobrze rozwiniętych części dendrytów roztworu stałego α (DAS rys. 6) badano za pomocą analizatora obrazu Multiscan na nietrawionych zgładach próbek, wcześniej użytych do badań gęstości.. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na podstawie krzywych stygnięcia (rys. ) otrzymanych z pomiarów temperatury w miejscach pokazanych na rys. wyznaczono, R, υ i t dla trzech okresów wzrostu:, + eutektyki (α+si) i +eutektyki (α+si) + eutektyki Mg.
Ocena za pomocą kryteriów krzepnięcia porowatości i rozdrobnienia struktury temperatura, C 60 60 600 80 60 0 0 P - Och P - P P - Och - Piasek - Ochładzalnik P - P - Piasek - Piasek M - Och - Mikrosfery - Ochładzalnik M - Och Odległość od podstawy płyty w mm - - 7-6 - 87-0 00 00 00 00 00 600 700 800 900 000 00 czas, s Rys.. Krzywe stygnięcia odlewu płyty w formach: P-Och, P-P i M-Och Fig.. Cooling curves of plate casting in the mould: P-Och, P-P i M-Och Zmianę udziału porowatości obliczoną z zależności () przedstawiono na rys. a. Analizę przydatności kryterium Niyamy, Lee i Kao do opisu wpływu warunków krzepnięcia na udział porowatości przeprowadzono na podstawie wartości współczynnika korelacji R k. Zależność P od badanych kryteriów opisano funkcją potęgową i logarytmiczną. Obliczone wartości R k przedstawiono w tablicy. Największe wartości R k w całym badanym zakresie wpływu warunków krzepnięcia na udział porowatości w odlewie uzyskano dla kryterium Niyamy w okresie krystalizacji (tabl. ). W tym okresie można dokładniej wyznaczyć wartości i R niż w pozostałych okresach. Zależność udziału porowatości od tego kryterium przedstawiono na rys. b. Uzyskano także dobre wartości R k dla kryterium Lee, ale tylko w zakresie zasięgu działania efektu brzegowego (w okresie krystalizacji oraz w całym okresie krystalizacji + eutektyki (α+si) + eutektyki Mg); zmianę udziału porowatości opisaną kryterium Lee (cały okres krystalizacji) przedstawiono na rys. a. Według kryterium Kao i Chang w badanym przypadku zależność porowatości od warunków krzepnięcia jest opisana mniejszą wartością R k niż według poprzednich kryteriów. Zmianę udziału porowatości według kryterium Kao i Chang dla największej wartości R k przedstawiono na rys. b.
M. Hajkowski, Ł. Bernat Tablica Współczynniki korelacji zależności udziału porowatości od kryteriów obliczonych w różny sposób Correlation coefficients of relationship of porosity on calculated criteria applying different methods Kryterium Niyamy R Lee t Kao i Chang υ 0,8,6 Sposób wyznaczania, R, υ, t i odległość od podstawy płyty objęta analizą po krystalizacji i eut. (α+si) α + eut. (α+si) + eut. Mg i eut. (α+si) α + eut. (α+si) + eut. Mg i eut. (α+si) α + eut. (α+si) + eut. Mg Współczynnik korelacji (R k ) zależności opisanych funkcją w zakresie: badanym C, zasięgu efektu brzegowego E potęgową logarytmiczną C 0,88 0,906 E 0,88 0,90 C 0,0 0,06 E 0, 0,8 C 0,769 0,8 E 0,79 0,8 C 0,09 0, E 0,98 0,87 C 0,70 0,6 E 0,89 0,77 C 0,80 0,8 E 0,9 0,87 C 0,87 0,77 E 0,78 0,86 C 0,6 0,6 E 0, 0,6 C 0,808 0,87 E 0,808 0,869 a), b), P = -,079Ln(/R 0, ) +,87 R k = 0,906,, P-P M-Och,, P =,(/R 0, ) -0,8 R = 0,88, P-Och 0 0 0 60 80 00 odległość od podstawy, mm, 0 0 0 kryterium /R 0,, C 0, s 0, /cm Rys.. Zmiana porowatości w funkcji odległości od podstawy płyty (a) i kryterium Niyamy (b) Fig.. The relationship of porosity in the function of plate bottom distance (a) and Niyama criterion (b)
Ocena za pomocą kryteriów krzepnięcia porowatości i rozdrobnienia struktury a), P =,976(/t) -0, R k = 0,9 b), P = -0,9Ln( 0,8 υ,6 ) +,99 R k = 0,87,,,,,, 0 0 0 0 0 kryterium /t, C/cm. s 0 000 000 000 kryterium 0,8 /υ,6, C 0,8 s,6 /cm Rys.. Zależność porowatości od kryterium Lee dla końca eutektyki Mg i w zasięgu działania efektu brzegowego (a) oraz od kryterium Kao i Chang dla końca eutektyki Mg w całym badanym zakresie (b) Fig.. The relationship of porosity on Lee criterion for eutectic Mg end and in range action of land effect (a) and on Kao and Chang criterion for eutectic Mg end in all range test (b) Przykładowe mikrostruktury przedstawiono na rys. 6. Widoczne na powierzchni porowatości główki dendrytów wskazują, że jest to porowatość skurczowa albo skurczowo-gazowa. W odlewie wykonanym w formie z ochładzalnikiem udział porowatości i jej wielkość są dużo mniejsze niż w odlewie z formy piaskowej. Wartości DAS są średnimi z 0 0 pomiarów w dobrze rozwiniętych dendrytach (rys. 6). Wyniki badań DAS i P zostały użyte do opisania zależności tych wielkości od kryteriów: /R 0, i /t. Wartości współczynnika korelacji zależności DAS od tych dwóch kryteriów dla całego zbioru wyników (odlewy z form P-P, P-Och i M-Och) są małe powodem są wyniki pomiarów parametrów odlewów wykonanych w formie M-Och. Masa mikrosferowa (współczynnik akumulacji ciepła b = 8 W s 0, /(m K) []) jest izolacyjna w porównaniu z masą z piasku kwarcowego (b = 6 W s 0, /(m K) []). Masa mikrosferowa ma, razy mniejszą wartość b niż wartość b masy piaskowej. Z tego względu dobrze izoluje ona odpływ ciepła. Bardzo duża intensywność odprowadzenia ciepła występuje zetem w kierunku ochładzalnika. W takich warunkach cieplnych podczas procesu krystalizacji, np. od do 6 mm, przed frontem krzepnięcia zmniejsza się w odlewie z formy M-Och,97 razy ( = 7,9; 6 = 9, C/cm), a z P-Och, razy ( =,; 6 = 6, C/cm); kryterium np. Niyamy odpowiednio zmniejsza się,0 i, razy. Na odcinku 6 mm w odlewie wykonanym w formie M-Och występuje istotne zróżnicowanie wartości DAS przy bardzo małym zróżnicowaniu kryterium krzepnięcia. Z powyższego powodu wyniki badań DAS
M. Hajkowski, Ł. Bernat a) b) c) d) Rys. 6. Mikrostruktura odlewu; forma P-P: a) odległość mm, b) 6 mm, forma P-Och: c) odległość mm, d) 6 mm Fig. 6. Microstructure of casting; mould P-P: a) mm distance, b) 6 mm, mould P-Och: c) mm distance, b) 6 mm b) 8 7 70 7 70 6 60 6 60 0 0 0 0 0 0 0 0 0 P =,09(/R ) Rk = 0,888 0 0,,,, 8,8 0,,8 0, o 0, 0, kryterium /R, C s /cm DAS = -,686(/t) + 7,07 Rk = 0,98 80 0-0,79 P =,0769(/t) Rk = 0,97 0 0 odległość między gałęziami DAS,μm 0, -0,6768 80 DAS = -,87/R0, + 76, R = 0,969 odległość między gałęziami DAS,μm a) 8 0 0,,,,7,, o kryterium /t, C/cm s Rys. 7. Zależność porowatości i odległości między gałęziami w dendrytach (odlewy z form: P-P i P-Och) od kryterium Niyamy w całym zakresie (a) i kryterium Lee w zasięgu efektu brzegowego (b) Fig. 7. The relationship of porosity and distance between arms in dendrites (castings from moulds: P-P and P-Och) on Niyama criterion for all range test (a) and Lee criterion for range of land effect (b)
Ocena za pomocą kryteriów krzepnięcia porowatości i rozdrobnienia struktury wraz z udziałem porowatości i przypisanymi im wartościami kryterium zostały zilustrowane na rys. 7 tylko dla odlewów z form P-P i P-Och. Zależność DAS od kryterium krzepnięcia /R 0, lub /t, opisana funkcją liniową, w obu przypadkach ma bardzo dużą wartość R k. W zakresie działania efektu brzegowego kryterium /t lepiej opisuje zależność P i DAS niż /R 0,.. WNIOSKI. Kryterium krzepnięcia Niyamy /R 0, obliczone dla okresu krzepnięcia można stosować do analizy udziału porowatości w odlewach wykonanych z podeutektycznego stopu aluminium.. W zakresie zasięgu działania efektu brzegowego kryterium Lee /t obliczone dla okresu krzepnięcia, a także dla całego okresu krzepnięcia lepiej opisuje zależność porowatości od warunków krzepnięcia niż kryterium Niyamy.. Dużą wartość współczynnika korelacji zależności udziału porowatości i odległości między gałęziami w dendrytach od kryterium Niyamy i Lee uzyskuje się, gdy zbiór wyników pochodzi z odlewów wykonanych w formach z tej samej masy, bez ochładzalnika i z ochładzalnikiem. LITERATURA [] Berry J.T., Coleman E.P., Linking Solidification Conditions and Mechanical Behavior in Al Castings A Quarter Century of Evolving Evidence, AFS Transactions, 99, vol. 0, s. 87 87. [] Caceras C.H. i in., The Effect of Cu Constant on the Level of Microporosity in Al-Si-Cu-Mg Casting Alloys, Scripta Materialia, 999, vol. 0, no., s. 6 67. [] Dash M., Makhlouf M., Effect of key alloying elements on the feeding characteristics of aluminum-silicon casting alloys, Journal of Light Metals, 00, no., s. 6. [] Ignaszak Z., Virtual prototyping w odlewnictwie. Bazy danych i walidacja, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 00. [] Kao S.T., Chang E., Feeding Efficiency Criteria for Porosity Formation in A6 Alloy Sand Plate Castings, AFS Transactions, 988, vol. 96, s. 9. [6] Lee Y.W., Chang Y.S., Kuo Y.L., Yeng C.H., Effects of Castings eometry on the Feeding Behaviour of an A06 Aluminium Alloy Plate Casting, Cast Metals, 990, vol., no., s. 06. [7] Niyama E., Uchida T., Morikawa M., Saito S., A Method of Shrinkage Prediction and its Application to Steel Casting Practice, AFS Int. Cast Metals Journal, 98, vol. 7, s. 6. Praca wpłynęła do Redakcji.0.008 Recenzent: dr hab. inż. Bogdan Piekarski
6 M. Hajkowski, Ł. Bernat POROSITY ESTIMATION AND SIZE REDUCTION STRUCTURE OF Al ALLOYS CASTINS USIN SOLIDIFICATION CRITERIA Summary In this article it was presented results of investigation of cooling curves modify plate EN AC- -AlSi7Mg alloy casting. Solidifying in various thermal conditions has been performed. The estimation of applicability of three criteria of solidification to describe the changeability of porosity fraction in castings has been applied. With the use of two criteria it was specifed the influence of solidification conditions on porosity fraction and mean space between arms in α-phase dendrites. Key words: Al alloy, porosity, DAS, solidification conditions criteria