/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN 64-5308 STANOWISKO DO BADANIA GĘSTOŚCI CIEKŁYCH METALI I STOPÓW J. MUTWIL Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE Opisano stanowisko do szybkiej oceny gęstości ciekłych metali i stopów. Pomiar oparto na prawie Archimedesa. Stanowisko badawcze pozwala w pojedy nczym eksperymencie ustalić zależność gęstości ciekłego metalu od temperatury. Key words: density of liquid metals and alloys. WPROWADZENIE Gęstość ciekłego metalu jest jednym z parametrów materiałowych, którego znajomość jest niezbędna w modelowaniu matematycznym procesu tworzenia odlewu. Coraz powszechniejsze próby stosowania techniki numerycznej symulacji tego procesu wykazały, że w zakresie znajomości parametrów termofizycznych konkretnych metali i stopów, jak i materiałów formierskich wiedza nasza jest skromna. Banki danych są zbyt ogólnikowe, bo zazwyczaj podawane są wartości przeciętne poszczególnych parametrów, dodatkowo odnoszą się one do całej podgrupy materiałów. Uwaga powyższa dotyczy też gęstości ciekłych metali i stopów. Analiza zawartego w pracach [, ] opisu stosowanych tu metod badawczych wskazała na metodę opartą na prawie Archimedesa, jako tę, która pozwala na prowadzenie szybkich i dokładnych pomiarów 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. Dodatkowym utrudnieniem są termiczne zmiany objętości próbnika. Dokładność pomiaru zależna jest tu również od poprawnej oceny wartości i zwrotu siły powierzchniowej powstającej w miejscu styku linki z lustrem metalu. Propozycję st a- dr hab. inż., prof. UZ, jmutwil@iipm.uz.zgora.pl 05
nowiska badawczego opartego na prawie Archimedesa, w którym starano się wyeliminować wspomniane mankamenty metody przedstawiono poniżej.. OPIS STANOWISKA I PRZYKŁAD POMIARU Przystępując do opracowania koncepcji stanowiska założono na wstępie, że p o- grążany w ciekłym metalu próbnik pomiarowy powinien być wykonany z grafitu. Za wyborem grafitu przemawiały: mały współczynnik akumulacji ciepła i rozszerzalności termicznej, słaba zwilżalność i rozpuszczalność przez ciekłe metale (za wyjątkiem st o- pów żelaza) oraz niska cena. Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku. 6 a) b) 3 7 Ø5 Ø38x30 4 6 8 9 0 Ød 5 h 3 4 5 ØD H Rys.. Stanowisko do badania gęstości ciekłych metali i stopów: a) schemat próbnika; b) schemat stanowiska: piec oporowy, 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-6, 0 - komputer PC, ramię podnośnika, układ kontroli zanurzenia próbnika. Fig.. Test stand for density examination of liquid metals and alloys: a) schematic diagram of sinker; b) schematic diagram of test stand: resistance furnace, 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-6, 0 - PC, lift arm, control system of sinker immersion. 06
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rysunek a pokazuje, że wykonany z grafitu walcowy próbnik właściwy o wymiarach D x H pogrążany jest w metalu na głębokość h. 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 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. Odpowiednią masę 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 / wykręca i ostatecznie blokuje nakrętką), aby ich ostrza były odległe od górnej podstawy walca D x H o wartość h (stosuję się w tym celu płytkę wzorcową o grubości h). Próbnik opuszczany jest do tygla z badanym metalem za pomocą ruchomego ramienia podnośnika kolumnowego, aż do momentu, gdy zapalenie się żarówki z układu 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. Dla przedstawionego rozwiązania, i po uwzględnieniu wymiarów ogólnych z rys.a, gęstość ciekłego metalu można wyrazić zależnością: ρ c = 4 F d cos g ( D H d h F d cos g p () 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. W proponowanej metodzie błąd pomiaru gęstości będzie 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 dwa równoległe pomiary na próbnikach różniących się jed ynie średnicą D. Jeśli wykona się pomiary dla tej samej temperatury metalu, to można wyznaczyć wtedy rzeczywistą wartość wyrażenia cosθ z zależności (). 07
cos = F D F D d D d h H D F F gdzie: D, D - średnica próbników, [m], ΔF, ΔF - zarejestrowane zmiany siły ciążenia próbników o średnicy odpowiednio: D i D, N. Zakładając, że zmiany napięcia powierzchniowego i kąta zwilżania dla badanego met a- lu nie będą istotnie zależne od temperatury, można tak wyznaczoną wartość wyrażenia cosθ stosować we wzorze (). Kolejnym źródłem błędu może być zmiana wymiarów próbnika na skutek jego rozszerzalności termicznej. Dodatkowy błąd, jak wcześniej zaznaczono, będzie wynikał ze zmiany w trakcie pomiaru głębokości h zanurzenia próbnika. Wspomniana zmiana głębokości h może wynikać z termicznej rozszerzalności linki podwieszenia, jak również wywołanej kurczeniem się badanego metalu zmiany położenia lustra. Po uwzględnieniu tych czynników, zależność do obliczenia gęstości przyjmuje postać: c = g T F d 3 T H cos h D p d h gdzie: β = 3 - współczynnik rozszerzalności objętościowej grafitu, K -, =4 x0-6 - współczynnik rozszerzalności liniowej grafitu, K -, ΔT = T m - 0, deg, T m - temperatura ciekłego metalu, C, Δh - zmiana głębokości zanurzenia próbnika, m. Na rysunku przedstawiono ilustrację przykładowego pomiaru. Badania wykonano poza piecem, co pozwoliło skrócić czas eksperymentu do 480 sekund. Eksperyment wykonano dla stopu Al.-Si.5% (zawartość żelaza 0.57%). W badaniach zastosowano próbnik grafitowy o wymiarach 30 x 35 mm (d=5.5 mm, h=0 mm). Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i siły przedstawiono na rysunku a. Dane z rysunku a i równolegle wykonanego pomiaru dla próbnika pomocniczego (D = 6 mm) pozwoliły na podstawie wzoru oszacować wartość wyrażenia cosθ (-0.57 N/m). Do określenia zależności gęstości badanego stopu od temperatury (rys. b) posłużył pomiar przedstawiony na rysunku a i równanie 3. Obliczenia wykonał opracowany przez autora program do obsługi mikroprocesorowego rejestratora PDOC-6. W celu przeprowadzenia obliczeń należało wcześniej na wykresie a 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 temperaturowych zmian gęstości program wyraża zależnością liniową: = at+b, podając jednocześnie wartości jej współczynników. () (3) 08
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) F(t) T(t) b) Rys.. Pomiar dla stopu AlSi.5%: a) zmiany temperatury metalu i ciężaru próbnika 30 mm; b) zależność gęstości od temperatury. Fig.. Measurement for AlSi.5% alloy: a) changes of metal temperature and weight of 30 mm sinker; b) temperature dependency of density 09
Wyznaczona charakterystyka = at+b (linia zielona na rysunku b) pozwala ekstrapolować wyniki poza przedział B-C. Dla poprawności obliczeń istotny jest prawidłowy wybór początku przedziału (punkt B). Na rysunku a wyraźnie można zauważyć etapy pogrążenia (spadek siły) i wynurzania (wzrost siły) próbnika z metalu. Punkt B powinien być wybrany dla czasu, gdzie efekt ciś nienia dynamicznego wywołany pogrążaniem próbnika nie będzie już oddziaływał na rejestrowaną siłę, a nagrzanie się próbnika uwidoczni się stabilizacją prędkości stygnięcia metalu. 3. PODSUMOWANIE Przedstawione stanowisko pozwala na szybką ocenę gęstoś ci ciekłych metali i stopów. Dla określenia gęstości w określonej temperaturze pomiar powinien być prowadzony w piecu. Dla określenia temperaturowej charakterystyki zmian gęstości korzystniej jest prowadzić badania poza piecem (na stygnącym metalu), a wartości gęstości dla wyższych temperatur metalu obliczyć z ustalonej na podstawie pomiaru chara k- terystyki funkcyjnej. LITERATURA [] Takamichi I., Guthrie I.: The physical properties of liquid metals, Clarendon Press, Oxford, 988. [] Wertman A.A, Samarin A.M.: Mietody issledovanja svojstv metalliceskych rasplavov, Izdatielstvo Nauka, Moskwa 969. TEST STAND FOR DENSITY EXAMINATION OF LIQUID METALS AND ALLOYS SUMMARY A test stand for fast estimation of density of liquid metals and alloys has been described. The measurement is based on the Archimedean principle. The test stand allow by single experiment to estimate the temperature dependence of liquid metal density. Recenzował: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski 0