68/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 STANOWISKO DO BADAŃ LEPKOŚCI METALI I STOPÓW J.MUTWIL 1, M. ŻYGADŁO 2 Wydział Mechaniczny Politechniki Zielonogórskiej ul. prof. Z. Szafrana, 65-016 Zielona Góra STRESZCZENIE Opisano stanowisko do badania lepkości metali i stopów bazujące na metodzie współosiowych cylindrów. Cylindrem zewnętrznym jest nieruchomy tygiel walcowy, wewnętrznym wirujący, stalowy walec. Moment skręcający obliczany jest w oparciu o pomiar prędkości obrotowej i mocy prądu stałego pobieranego przez silnik Key words: viscosity of metals and alloys, rotational viscometer 1. WPROWADZENIE W matematycznym modelu procesu zalewania metalem form odlewniczych jednym z równań jest równanie ruchu Navier-Stokesa. W równaniu tym wymagana jest znajomość lepkości płynu podlegającego przepływowi. W literaturze brak jest danych o lepkości konkretnych stopów odlewniczych. Znane są natomiast orientacyjne wartości dla poszczególnych grup stopów. Dodatkowo w modelach dokładnych znana powinna być również zależność lepkości od temperatury metalu. Z uwagi na wysokie temperatury pomiar lepkości metali i stopów jest trudny technicznie. Opis opracowanego przez autorów reometru odlewniczego jest przedmiotem niniejszego opracowania. 2. OPIS STANOWISKA Z uwagi na małą lepkość przegrzanych metali i stopów zdecydowano się zbudować reometr oparty na zasadzie współosiowych cylindrów (rys. 1). Względy techniczne 1 dr hab. inż., prof. PZ, jmutwil@wm.pzgora.pl 2 mgr inż.
wymogły przyjęcie tygla, jako cylindra nieruchomego. W nauce odlewniczej popularne są ostatnio badania tak zwanej temperatury koherencji dendrytycznej [1]. Według defi- Rys. 1. Stanowisko do badań lepkości metali i stopów: 1- cylinder wirujący, 2- tygiel, 3- pierścień centrujący, 4- ramię, 5-kolumna, 6- pokrętło, 7- osłona termiczna, 8- tarcza, 9- oś, 10- sprzęgło, 11- silnik prądu stałego, 12- czujnik prędkości obrotowej, 13- zasilacz, 14- sterownik, 15 mikroprocesorowy rejestrator, 16- mikrokomputer, 17- termoelement Fig. 1. Stand for viscosity investigation of metals and alloys: 1-stirrer, 2-crucible, 3- adjusting ring, 4- stirrer arm, 5-column, 6- handwheel, 7- radiation shield, 8- indicating dial, 9- axle, 10- coupling, 11- motor DC, 12- angular velocity sensor, 13- feeder, 14- controller, 15- microprocessor recorder, 16- microcomputer, 17- thermocouple nicji, jest to temperatura, w której metal w stanie stało-ciekłym, dzięki tworzącym się wzajemnym połączeniom dendrytów, zaczyna wykazywać cechy wytrzymałościowe.
Doceniając ważkość tego typu badań, przyjęto, że budowany reometr powinien umożliwiać również prowadzenie eksperymentów dla metali w stanie stało-ciekłym. Założenie to nakłada konieczność mierzenia momentu skręcającego o znacznym przedziale zmienności. Dlatego też, przyjęto technikę pośredniego pomiaru momentu skręcającego w oparciu o pomiar mocy prądu stałego, niezbędnego do utrzymania stałej prędkości obrotowej napędzanego silnikiem elektrycznym wirującego cylindra. Zaprojektowany przez M. Żygadło i pokazany schematycznie na rysunku 1 sterownik 14, jest faktycznie pracującym w pętli sprzężenia zwrotnego układem regulacji i stabilizacji prędkości obrotowej silnika. Sygnał sterujący generowany jest przez indukcyjny czujnik prędkości obrotowej 12, zliczający impulsy wynikające z nacięć wykonanych na tworzącej wirującej tarczy 8. Sterownik 14 posiada pokrętło potencjometryczne umożliwiające dobór ciągły prędkości wirowania walca pomiarowego w zakresie 30-500 obr/min. Wartość ustalonej prędkości jest przedstawiana na wyświetlaczu. Dodatkowym zadaniem sterownika jest przesłanie do mikroprocesorowego rejestratora 15 sygnałów: napięcia zasilania i prądu pobieranego przez silnik oraz jego prędkości obrotowej. Wymienne ( 34, 40, 50mm), nakręcane na oś 9, cylindry wirujące 1 wykonano ze stali WCL. Dla zmniejszenia efektu końcowego, dno cylindra wykonano sklepione, co, dzięki poduszce powietrznej, istotnie ogranicza tarcie w tym miejscu układu. Podwójnie łożyskowaną kulkowo oś 9 połączono z osią silnika za pomocą sprzęgła termoizolacyjnego 10. Dodatkową ochronę przed promieniowaniem cieplnym zarówno dla silnika, jak i łożysk stanowi wykonana z płyty ceramicznej osłona 7. Współosiowość walcowego tygla grafitowego 2 (Rz=42.5 mm) oraz wirującego walca 1 zapewnia pierścień centrujący 3. Układ napędowy reometru, poprzez ramię 4, połączony jest z kolumną zębatą 5. Pokrętło 6 umożliwia wprowadzanie wirującego cylindra do badanego metalu na określoną głębokość oraz jego uniesienie po zakończeniu pomiaru. Pomiar temperatury metalu w trakcie eksperymentu zapewnia podłączony do rejestratora termoelement płaszczowy 17. Do przetwarzania mierzonych mikroprocesorowym rejestratorem 15 sygnałów dokonano rozszerzenia istniejącego oprogramowania [2]. Oprogramowanie pozwala na graficzne przedstawianie bądź momentu skręcającego, bądź lepkości wraz z pochodnymi zarówno w funkcji czasu, jak i temperatury metalu. Do wyznaczania wartości momentu skręcającego oraz lepkości zastosowano znany w reologii płynów wzór Margelusa [3]. Stałą przyrządu wyznaczono w oparciu o jego kalibrację na cieczach o znanej lepkości. 3. OPIS PRZYKŁADOWYCH POMIARÓW Przykładowe pomiary dotyczą siluminu technicznego AK9 i dwuskładnikowego siluminu AlSi18. Badane metale topiono w piecu indukcyjnym, stosując tygle szamotowo grafitowe. Po uzyskaniu założonej temperatury, metal przelewano do grafitowego tygla walcowego, który ustawiano na reometrze. W kolejnym kroku opuszczano ramię reometru, tak, aby wirujący z wybraną prędkością cylinder znajdował się tuż nad lustrem metalu. Po upływie 30 sekund cylinder 34mm wprowadzano do metalu na głębokość 40 mm. W przypadku siluminu AK9 pomiar przerwano w stadium znacznego
zaawansowania przemiany eutektycznej, dla siluminu AlSi18 cylinder usunięto tuż po rozpoczęciu krystalizacji eutektyki. Dla każdego stopu przedstawiono ilustracje (rys. 2a, 3a) zmiany w czasie momentu skręcającego, temperatury metalu i jej pochodnej oraz a) b) Rys. 2. Silumin AK9: a) moment skręcający oraz temperatura metalu i jej pochodna po czasie w funkcji czasu; b) lepkość i jej temperaturowa pochodna w funkcji temperatury metalu Fig. 2.Silumin AK9: a) torque and metal temperature with its time derivative versus time; b) viscosity and its temperature derivative versus metal temperature
zmiany lepkości i jej temperaturowej pochodnej w funkcji temperatury metalu ( rys. 2b, 3b). Z uwagi na brak odpowiedniej czcionki w Pascalu, lepkość na rysunkach oznaczono literą (n). Analiza pochodnej temperatury wykazała, że po chwili od wprowadzenia walca do metalu prędkość stygnięcia metalu się stabilizuje. W okresie przegrzania metalu zarówno zmiany momentu a) b) Rys. 3. Silumin AlSi18: a) moment skręcający oraz temperatura metalu i jej pochodna po czasie w funkcji czasu; b) lepkość i jej temperaturowa pochodna w funkcji temperatury metalu Fig. 3.Silumin AlSi18: a) torque and metal temperature with its time derivative versus time; b) viscosity and its temperature derivative versus metal temperature
skręcającego, jak i lepkości są niewielkie, a przed uzyskaniem przez metal temperatury likwidus zauważalne są niewielkie spadki obu wielkości. Spowodowane to jest zauważalnym, stopniowym obniżaniem się poziomu lustra metalu na skutek postępującej od ścianek tygla krystalizacji. Po osiągnięciu temperatury likwidus zauważalny jest ciągły wzrost momentu skręcającego oraz lepkości. Przedstawiona konfiguracja stanowiska, w którym metal, ciągle się chłodząc, krzepnie kierunkowo od ścianek tygla, nadaje się przede wszystkim do badań koherencji dendrytycznej, a wyznaczone wartości lepkości będą jedynie prawidłowe w początkowym okresie pomiaru. Wydrukowane w polach rysunków (b) wartości wskazują na wyższą lepkość siluminu nadeutektycznego. Oznaczona literą (B) temperatura koherencji dendrytycznej dla obu stopów występuje w połowie zakresu temperatur krzepnięcia. 4. PODSUMOWANIE Przedstawione stanowisko do badań lepkości metali i stopów może być wykorzystywane przede wszystkim w badaniach koherencji dendrytycznej. W badaniach lepkości powinno się stworzyć warunki do minimalizacji gradientu temperatury w kierunku promieniowym, co uzyskać można umieszczając tygiel w otwartym od góry piecu oporowym. W tych warunkach możliwe będą również badania krzywych płynięcia, pozwalające ustalić zakres temperatur, w których metal zachowuje się jak ciecz newtonowska. LITERATURA [1] Arnberg L., i in.: Determination of dendritic coherency in solidifying melts by rheological measurements, Materials Science and Engineering, A173, 1993, s. 101-103. [2] Mutwil J., Żygadło M.,.: Mikrokomputerowy system do badania zjawisk i procesów odlewniczych, ATMiA, vol. 20, nr 1, 2000,s. 117-126. [3] Ferguson J., Kembłowski Z.: Reologia stosowana płynów, Wydawnictwo MAR- CUS sc, Łódź 1995. STAND FOR VISCOSITY INVESTIGATIONS OF METALS AND ALLOYS SUMMARY A stand for viscosity investigations of metals and alloys based on the method of two coaxial cylinders has been presented. The crucible as the outer cylinder remains fixed. The inner steel cylinder rotates with a constant angular velocity. The torque is calculated by measuring both the angular velocity and the input power of motor current Recenzował Prof. Józef Gawroński