plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 26 nr 1
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2006
MAŁGORZATA ŁĄGIEWKA * , ZBIGNIEW KONOPKA*, ANDRZEJ ZYSKA*
KRZEPNIĘCIE SUSPENSJI KOMPOZYTOWEJ AlMg10+SiC
PODCZAS WYPEŁNIANIA WNĘKI FORMY
W artykule przedstawiono wyniki badań płynięcia i krzepnięcia suspensji kompozytowych na
osnowie stopu AlMg10 z 10, 20 i 30% udziału objętościowego cząstek SiC. Przedstawiono pole
prędkości i temperatury czoła strugi płynących suspensji. Uwzględniając wyniki symulacji krzepnięcia badanych kompozytów, przedstawiono kinetykę krzepnięcia tych materiałów. Stwierdzono
odmienną kinetykę płynięcia i krzepnięcia badanych kompozytów w zależności od udziału objętościowego cząstek. Stwierdzono, że cząstki węglika krzemu uczestniczą w procesie krzepnięcia
kompozytów metalowych.
Słowa kluczowe: kompozyty, lejność, krzepnięcie
1. WSTĘP
Cząstki ceramiczne wykorzystywane jako zbrojenie w kompozytach metalowych zmieniają właściwości cieplno-fizyczne i reologiczne suspensji w porównaniu z właściwościami cieczy metalicznych. Suspensje kompozytowe wykazują
odmienny od cieczy charakter przepływu, a cząstki wpływają na proces krzepnięcia, co decyduje o jakości odlewu [4]. Zagadnienie przepływu zawiesiny kompozytowej w kanałach wnęki formy odlewniczej nie zostało do tej pory rozwiązane
ze względu na oddziaływanie cząstek na złożone zjawiska przepływu połączone z
wymianą ciepła [1]. Dodatkowo cząstki ceramiczne w ciekłym metalu zmieniają
kinetykę krzepnięcia takiego układu z uwagi na inne w porównaniu ze stopem
osnowy właściwości cieplne cząstek [5, 6]. Znane jest zjawisko pochłaniania lub
odpychania cząstek przez przemieszczający się front krystalizacji, co powoduje
nierównomierne ich rozmieszczenie w osnowie, wpływające na właściwości kompozytu [2]. Znając mechanizmy krzepnięcia kompozytów podczas płynięcia, można sterować tym procesem, kształtować strukturę kompozytów, czyli programować właściwości kompozytu w zależności od wymagań stawianych przez projektantów maszyn czy urządzeń.
*
**
Dr inż.
Dr hab. inż.
Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej.
58
M. Łągiewka, Z. Konopka, A. Zyska
2. METODYKA BADAŃ
Celem badań była analiza procesu krzepnięcia suspensji kompozytowej, stanowiącej mieszaninę ciekłego stopu AlMg10 z cząstkami SiC, podczas wypełniania formy odlewniczej.
Wytworzono kompozyty na osnowie stopu AlMg10 (AG10) zbrojone cząstkami węglika krzemu o udziale objętościowym 10, 20 i 30%. Stop AG10 wybrano ze względu na jego bardzo dobre właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne. Stop ten charakteryzuje się dużą odpornością na obciążenia zmienne,
małą skłonnością do pękania na gorąco oraz dużą odpornością korozyjną. Duża
zawartość magnezu w stopie gwarantuje dobre zwilżanie, umożliwiając wprowadzenie cząstek węglika krzemu do osnowy bez stosowania dodatkowych zabiegów preparacji cząstek zbrojących lub modyfikacji stopu.
Zawiesiny kompozytowe wytworzono metodą mieszania mechanicznego.
W tym celu ciekły metal topiono w tyglowym piecu indukcyjnym i przegrzewano do temperatury 973 K pod osłoną argonu ze względu na intensywne
utlenianie stopu osnowy. Następnie do mieszanego ciekłego stopu wprowadzano
cząstki zbrojące za pomocą rynny dozującej. Mieszanie wykonano mieszadłem
turbinowym o średnicy 0,05 m z czterema łopatkami pochylonymi pod kątem
45o. Było ono umieszczone w 1/3 wysokości poziomu cieczy od dna w osi tygla.
Suspensje kompozytowe odlewano grawitacyjnie z temperatury 973 K do
przygotowanych form próby spiralnej. Formy wykonano z masy formierskiej o
nazwie handlowej O.B.B. SAND”E”, która jest mieszaniną drobnoziarnistego
piasku kwarcowego (średnia wielkość ziarna 90 μm), spoiwa olejowego i dodatków. Masa cechuje się dużą trwałością i nadaje się bezpośrednio do formowania,
ponieważ jej spoiwo nie wysycha. Duża wytrzymałość na ściskanie (0,12 MPa)
i na ścinanie (0,04 MPa) oraz niezła przepuszczalność i płynność na wilgotno
sprawiają, że odlewy charakteryzują się bardzo dobrą dokładnością wymiarową.
W formie próby spiralnej zainstalowano termoelementy Ni-CrNi o średnicy
drutu 0,3 mm w różnych odległościach od wlewu głównego w zależności od
ilości cząstek w kompozytach. Liczbę termoelementów i odległość, w jakiej
zostały zainstalowane, określono na podstawie wcześniejszych prób. Dla kompozytów zawierających 10% cząstek termopary umieszczono w odległościach co
100 mm, dla kompozytów zawierających 20% cząstek termoelementy rozmieszczono co 50 mm, a dla kompozytów o udziale objętościowym 30% cząstek – co
25 mm, przy czym w każdym wypadku pierwszy termoelement był umieszczony
tuż za wlewem głównym. Pomiar i rejestrację temperatury w czasie płynięcia
metalu w kanale formy wykonano za pomocą komputerowej karty pomiarowej
PCL 818 o maksymalnej częstości próbkowania 100 kHz. Do pomiarów wykorzystano program akwizycji danych Visual LAB. Zastosowana w badaniach
programowa częstotliwość próbkowania każdego kanału temperaturowego wynosiła 100 Hz.
Krzepnięcie suspensji kompozytowej…
59
3. WYNIKI BADAŃ
Podczas przepływu metalu w spiralnym kanale formy zarejestrowano krzywe
ilustrujące zmiany temperatury w poszczególnych miejscach wnęki formy
w czasie płynięcia. Krzywe te przedstawiały przebieg stygnięcia kompozytów
T = f(t) stopu w czasie płynięcia, co umożliwiło ocenę parametrów przepływu.
Na rysunku 1 przedstawiono przykładowo, zarejestrowane krzywe T = f(t) dla
kompozytu zawierającego 10% obj. cząstek SiC, a dla pozostałych kompozytów
wyniki można znaleźć w pracy [6].
700
600
Temperatura [o C]
500
400
300
200
100
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Czas [s]
Rys. 1. Krzywe stygnięcia kompozytu AlMg10+10% SiC
Fig. 1. Cooling curves for AlMg10+10% SiC composite
Z bezpośrednich pomiarów temperatury metalu podczas płynięcia w kanale
próby spiralnej wyznaczono prędkość płynięcia. Krzywe zmian prędkości chwilowych (v) płynących i krzepnących suspensji kompozytowych przedstawiono
na rys. 2. Na rysunku tym są widoczne zaburzania w postaci zmiennej prędkości
przepływu suspensji, wywołane zmiennym ciśnieniem metalostatycznym we
wlewie podczas jego wypełniania. Krzywe pokazują również wpływ ilości cząstek na prędkość przepływu. Wraz ze wzrostem zawartości SiC prędkość przepływu zdecydowanie maleje. Dla kompozytu zawierającego 10% SiC maksymalna prędkość płynięcia wynosi 690 mm/s, dla kompozytów zawierających
20% obj. cząstek osiąga wartość 330 mm/s, a dla kompozytów zawierających
30% cząstek tylko 32 mm/s.
M. Łągiewka, Z. Konopka, A. Zyska
60
700
650
600
550
500
Prędkość [mm/s]
450
AG10+10%SiC
AG10+20%SiC
AG10+30%SiC
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
300
Droga [mm]
350
400
450
500
Rys. 2. Prędkość płynięcia czoła strugi suspensji kompozytowych
Fig. 2. Stream front flow velocity for composites suspension
Zarejestrowane krzywe zmian temperatury podczas płynięcia i krzepnięcia
badanych materiałów umożliwiły wyznaczenie temperatury czoła strugi płynących suspensji na długości spirali, co przestawiono na rys. 3.
680
AG10+10%SiC
660
AG10+20%SiC
AG10+30%SiC
Temperatura [o C]
640
620
TE
600
580
560
540
0
100
200
300
400
500
Droga [mm]
Rys. 3. Temperatura czoła strugi suspensji kompozytowych zawierających cząstki SiC (TL – równowagowa temperatura likwidus)
Fig. 3. Stream front temperature of composites suspension containing SiC particles (TL – equilibrium liquidus temperature)
Krzepnięcie suspensji kompozytowej…
61
Przebieg krzywych uwidacznia silny wpływ ilości cząstek na kinetykę stygnięcia kompozytu. Niestacjonarny przepływ w początkowej fazie płynięcia
wywołuje zmienne natężenie przepływu metalu w danym przekroju formy,
a więc różne ilości ciepła dostarczanego w danej porcji metalu, co odzwierciedla
się zaburzeniem pola temperatury. Słabsze „pulsacje temperatury” w kompozytach zawierających więcej cząstek, zgodne również z tłumieniem „pulsacji prędkości”, tłumaczyć można wpływem cząstek na ujednorodnienie przepływu (pola
prędkości i temperatury) suspensji. Wpływ cząstek na stabilizację przepływu
suspensji wynika prawdopodobnie ze wzrostu jej lepkości.
Podczas płynięcia można ocenić kinetykę krzepnięcia, znając zależność ilości
fazy stałej od temperatury. Zmianę ilości fazy stałej jako funkcję temperatury
podczas płynięcia kompozytów wyznaczono na podstawie symulacji procesu
krzepnięcia. W obliczeniach symulacyjnych przyjęto model krystalizacji z całkowitym konwekcyjnym mieszaniem cieczy jako najbardziej adekwatny do badanych kompozytów [2]. Konwekcyjnemu mieszaniu cieczy sprzyja duża prędkość krystalizacji. W efekcie w cieczy nie występuje gradient stężenia domieszki, a w fazie stałej kształtuje się określone pole stężenia, ponieważ nie występuje
w niej dyfuzja. Taki przypadek krystalizacji prowadzi do dużej segregacji domieszki [2]. Symulację komputerową krzepnięcia wykonano z wykorzystaniem
bazy danych programu Termo-Calc wersja M w module SCHEIL-GULLIVER.
Wynik symulacji przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Wydruk komputerowy pokazujący udział fazy stałej podczas krzepnięcia stopu AlMg10
Fig. 4. Computer printout showing rate of solid phase during solidification of AlMg 10 alloy
Temperaturową funkcję ilości fazy stałej podczas krzepnięcia wyznaczoną na
podstawie symulacji komputerowej można przedstawić w postaci równania:
M. Łągiewka, Z. Konopka, A. Zyska
62
S (T ) =
20,87
1+ e
( T − 750 )
44 ,8
− 20
(1)
Na podstawie równania (1) wyznaczono zmiany udziału objętościowego fazy
stałej na długości spirali dla badanych kompozytów, uwzględniając wyznaczone
z pomiaru pole temperatury płynącego w formie kompozytu. Wyniki takich
obliczeń przedstawiono na rys. 5. Można przyjąć, że zmiana udziału fazy stałej
wykrystalizowanego metalu w funkcji drogi płynięcia jest w przybliżeniu
funkcją liniową. Całkowity udział fazy stałej w kompozycie stanowi sumę ilości
wykrystalizowanego metalu i ilości wprowadzonych stałych cząstek zbrojenia.
0.8
AG10+10%SiC
AG10+20%SiC
0.7
AG10+30%SiC
Udział objętościowy fazy stałej [%]
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
100
200
300
400
500
600
Droga [mm]
Rys. 5. Zmiana udziału objętościowego fazy stałej podczas płynięcia
Fig. 5. Change of the volume solid phase fraction during flow
4. PODSUMOWANIE
Krzywe prędkości czoła strugi kompozytów pokazują jednoznacznie silny
wpływ ilości stałych cząstek SiC w zawiesinie na spowolnienie przepływu. Charakter krzywych prędkości wskazuje na silne zaburzenie przepływu wywołane
prawdopodobnie zmiennym ciśnieniem metalostatycznym we wlewie głównym
podczas jego wypełniania. W rezultacie suspensje kompozytowe wypełniają
kanał formy ze wzrastającą prędkością w pierwszej fazie płynięcia, by następnie
ustabilizować przepływ w drugiej fazie, aż do gwałtownego spadku prędkości
w końcowej fazie płynięcia, spowodowanego intensywną krystalizacją metalu.
Krzepnięcie suspensji kompozytowej…
63
Ze wzrostem udziału cząstek w zawiesinie obserwuje się bardziej jednorodny
przepływ, co widoczne jest jako wydłużanie się drugiej fazy przepływu.
Na rysunku 3, przedstawiającym temperaturę czoła płynących suspensji, widać
wpływ ilości cząstek na kinetykę stygnięcia kompozytu. Kompozyt zawierający
najmniejszą ilość cząstek SiC ma najmniejszą szybkość stygnięcia, co wiąże się
z największą prędkością przepływu. Na rysunku 5, przedstawiającym zmiany
udziału objętościowego fazy stałej na długości spirali, pokazano, jak zmienia się
kinetyka krzepnięcia w zależności od udziału objętościowego cząstek SiC. Różne
charaktery przepływu i kinetyki krzepnięcia świadczą o tym, że cząstki SiC
wpływają nie tylko na parametry przepływu, ale także na procesy krzepnięcia, co
przejawia się w warunkach wymiany ciepła odlew–forma oraz w oddziaływaniu
cząstek na proces krystalizacji stopu. Cząstki SiC prawdopodobnie biorą czynny
udział w krystalizacji kompozytu, czym można tłumaczyć wzrost intensywności
krystalizacji wraz ze zwiększaniem się ilości cząstek w kompozycie.
LITERATURA
[1] Braszczyński J., Cisowska M., Próba oceny krzepnięcia kompozytów hybrydowych AlMg/SiC+Cgr, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1999, nr 40.
[2] Fraś E., Krystalizacja metali, Warszawa, WNT 2003.
[3] Konopka Z., Cisowska M., Lejność kompozytów na osnowie stopu AlMg10 z cząstkami
SiC, Archiwum Odlewnictwa, 2003, r. 3, nr 9.
[4] Konopka Z., Cisowska M., Zyska A., Krzepnięcie suspensji kompozytowej podczas płynięcia w formie, Kompozyty, 2005, r. 5, nr 4.
[5] Sobczak J., Kompozyty metalowe, Kraków-Warszawa, Wyd. Instytutu Odlewnictwa 2001.
[6] Śleziona J., Kształtowanie właściwości kompozytów stop Al-cząstki ceramiczne wytwarzanych metodami odlewniczymi, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, 1994, z. 47.
Praca wpłynęła do Redakcji 13.04.2006
Recenzent: prof. dr hab. inż. Michał Szweycer
SOLIDIFICATION OF COMPOSITE SUSPENSION AlMg10+SiC DURING
FLOWING IN MOULD
S u m m a r y
The results of flowing and solidification investigation of AlMg10 alloy matrix with 10, 20 and
30% SiC particles composites suspension were presented in this work. Velocity and temperature
fields of stream front flowing suspension were presented. The solidification kinetics of examined
composites was presented using results of solidification simulation of these materials. Different
characteristics of flowing and solidification depend on particle volume fraction in examined composites were found. The SiC particles can act in solidification process of metalmatrix composites.
Key words: composites, fluidity, solidification