SKŁONNOŚĆ ALUMINIUM I DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al

Archives of Foundry,
Year 2003, Volume 3, № 10
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
4/10
SKŁONNOŚĆ ALUMINIUM I DWUSKŁADNIKOWYCH
STOPÓW Al-Si DO TWORZENIA OBCIĄGNIĘĆ
J. MUTWIL1
Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego
65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4.
STRESZCZENIE
Opisano stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć.
Pomiar ciśnienia w krzepnącym odlewie i temperatury w odpowiednich jego miejscach
pozwala ocenić mechanizm powstawania obciągnięć. Przedstawiono wyniki badań dla
aluminium i dwuskładnikowych stopów Al-Si.
Key words: shrinkage depression formation, Al-Si binary alloys
1. WPROWADZENIE
Wywołana niezadowalającym zasilaniem powierzchniowa wada skurczowa
pojawiająca się najczęściej w obszarach węzłów cieplnych odlewu nazywana jest
obciągnięciem. Obszerny opis metod badania i poglądów na temat skłonności metali i
stopów do obciągnięć przedstawił Z. Górny w pracy [1], wskazując szeroki zakres
temperatur krzepnięcia stopu, jako podstawowy czynnik sprzyjający powstawaniu tej
wady. Zakres temperatur krzepnięcia i warunki stygnięcia odlewu decydują o sposobie
krzepnięcia stopu, który faktycznie determinuje miejsce i rodzaj powstających w
odlewie wad skurczowych. Stwierdzono na przykład, że pojawienie się w odlewie
otwartej jamy skurczowej istotnie ogranicza możliwość powstania obciągnięcia i
odwrotnie [2]. Mechanizm powstawania obciągnięć nie jest dokładnie wyjaśniony, ale
pogląd o istotnej roli pojawiającego się w okresie krzepnięcia i wynikającego ze
skurczu podciśnienia wewnątrz odlewu [2] wydaje się słuszny. Propozycję stanowiska
badawczego pozwalającego oceniać ciśnienie względne wewnątrz krzepnącego odlewu
przedstawiono w pracy [3]. Opracowując stanowisko założono, że dla oceny
mechanizmu powstawania obciągnięcia rejestrowany powinien być przebieg
krzepnięcia metalu w kokili o prostej geometrii (odlew walca i stożka ściętego), lecz
1
dr hab. inż., prof. UZ, [email protected]
38
lokalnie zróżnicowanych warunkach odprowadzania ciepła (miejscowe zmniejszenie
intensywności odprowadzania ciepła). Wtedy w obszarze zmniejszonej intensywności
studzenia odlewu powinny stworzyć się warunki do powstania obciągnięcia. W miejscu
tym mierzona powinna być temperatura powierzchni odlewu, co zapewni uchwycenie
momentu zapadania się jego ścianki. Pomiar temperatury powinien być też realizowany
w osi odlewu i na przekroju ścianki, a ciśnienia w obszarze węzła cieplnego.
2. OPIS BADAŃ
Schemat stanowiska do badania mechanizmu powstawania obciągnięć w odlewie
stożka ściętego przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć:
1-podstawa formy; 2- dzielona górna część formy; 3-pokrywa; 4- wkładka z masy
formierskiej; 5- badany metal; 6- rurka stalowa; 7, 8, 9, 10, 11- termoelementy
płaszczowe; 12-manometr analogowy; 13-mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16;
14-komputer PC
Fig. 1. Test stand for investigation of metals and alloys susceptibility to formation of shrinkage
depression: 1- base of mould; 2- top part of split mould ; 3- cover ; 4- sand insert; 5tested metal; 6- steel pipe; 7, 8, 9, 10, 11- mantle thermocouple; 12-analog manometer;
13- microprocessor recorder; 14- microcomputer
Widoczna na schemacie kokila pozwala na uzyskanie odlewu stożka ściętego o
wymiarach: średnica podstawy D=54 mm, średnica sklepienia d=40 mm, wysokość
h=54 mm. Kokila składa się z podstawy, dzielonej formy właściwej oraz pokrywy. Na
płaszczyźnie podziałowej wyfrezowano rowek 1,6 x 1,6 mm pozwalający na
wprowadzanie do wnęki formy stalowej igły iniekcyjnej 1,6 mm do pomiaru ciśnienia.
Na płaszczyźnie podziałowej formy wyfrezowano wybrania do formowania w nich
39
wkładki z masy formierskiej. Wspomnianą wkładkę zagęszcza się po złożeniu połówek
kokili i wprowadzeniu do jej wnęki rdzenia z poliamidu. Rdzeń jest dokładnie
dopasowany do wnęki kokili, dzięki czemu wewnętrzna powierzchnia zagęszczanej
wkładki dobrze odwzorowuje fragment ścianki formy. Niewielka zbieżność wybrania
zapobiega wypchnięciu przez ciśnienie metalostatyczne wkładki na zewnątrz. Formę
wykonano ze stali WCL i ulepszono cieplnie w wysokociśnieniowym piecu
próżniowym (temperatura odpuszczania: T = 650 C). Przed zalaniem instalowane są w
formie wszystkie czujniki pomiarowe (rys.1). Aby ograniczyć możliwość zaczopowania
przez krzepnący metal otworu wlotowego igły, na jej ostrze nakładana jest kostka z
filcu ognioodpornego. Do pomiaru temperatury stosuje się płaszczowe termoelementy
typu K o średnicy płaszcza  1mm. Termoelement instalowany we wkładce umieszcza
się tak, aby jego spoina pomiarowa mogła się zetknąć z powierzchnią odlewu. Jeden z
termoelementów wprowadzanych przez dno formy można odgiąć tak, aby - stykając się
sprężyście z boczną ścianką formy - mógł mierzyć temperaturę powierzchni odlewu.
Formę zalewa się od góry, a bezpośrednio po zalaniu na powierzchnię swobodną metalu
można położyć walcową, metalową pokrywę ograniczającą możliwość powstania
otwartej jamy skurczowej. Równolegle można prowadzić badania, w których odlew
będzie krzepł bez pokrywy, co powinno sprzyjać otwartym jamom skurczowym i
ograniczać objętość obciągnięcia.
Poniżej przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych na opisanym stanowisku
dla aluminium hutniczego A0 i dwusładnikowych stopów Al-Si (AlSi0.85; AlSi1.65;
AlSi4.0; AlSi5.4; AlSi6.0; AlSi6.9; AlSi9.4; AlSi11.7; AlSi12.5; AlSi18.0; AlSi21.5).
Stopy dwuskładnikowe sporządzono w piecu oporowym, wtapiając krzem do
aluminium. Koncentrację krzemu dobierano tak, aby była zbliżona do występującej w
silluminach technicznych, bądź odpowiadała charakterystycznym obszarom wykresu
równowagi fazowej aluminium-krzem. Dla każdego metalu wykonywano dwa zalania
do zimnej kokili, stosując przegrzanie na poziome 150 deg. W pierwszym
eksperymencie stosowano pokrywkę zamykającą odlew od góry, w drugim odlew
krzepł bez pokrywki. Ciśnienie mierzono na poziomie połowy wysokości wkładki
piaskowej, a ostrze igły oddalone było od jej powierzchni o 15 mm. Temperaturę
mierzono w pięciu miejscach, a spoiny pomiarowe termoelementów umieszczone były
na poziomie igły. Temperaturę T1 mierzono w osi stożka, temperatury T2 i T3
odpowiednio w połowie i dwu trzecich grubości ścianki odlewu, te mperaturę T4
wyznaczył termoelement, który odgięto tak, aby jego spoina stykała się z powierzchnią
boczną ścianki kokili, natomiast temperaturę T5 mierzył termoelement umieszczony we
wkładce piaskowej, tak aby jego spoina pomiarowa wystawała z jej powierzchni (rys.
1). Na rysunku 2 przedstawiono dwa typowe przykłady rejestrowanych w
eksperymentach zmian temperatury i ciśnienia względnego wewnątrz odlewu. Aby
maksymalnie zwiększyć czytelność rysunku naniesiono na nim jedynie temperatury T1,
T4 i T5 oraz krzywą ciśnienia. Każdej linii przypisano też inny kolor. W polu wykresu
wydrukowano wartość temperatury likwidus i eutektycznej oraz wartość temperatury w
osi odlewu (To), przy której zaczęło powstawać obciągnięcie.
40
a)
b)
Rys. 2. Przykład zarejestrowanych temperatur i ciśnienia w odlewie:
a) stop AlSi 9.4; b) stop AlSi 11.7
Fig. 2. Example of temperatures and pressure registered in casting :
a) AlSi 9.4 alloy; b) AlSi 11.7 alloy
41
Tabela 1. Ilustracje obciągnięć i warunki ich powstawania
Table 1. Illustrations of shrinkage depression and their formation condit ions
%
Odlew 1- z pokrywą
Si
0.85
Pk, To,TL, Odlew 2 – bez pokrywy Pk,
kPa TE, ºC
kPa
-2.6 655,
0.0
652,
–
1.65
-2.3 653,
649,
–
-1.8 655,
650,
–
4.0
0.0
634,
630,
574
0.0
638,
634,
576
5.4
-0.9 627,
625,
574
0.0
620,
626,
575
To,TL,
TE, ºC
657,
653,
–
42
6.9
0.0
617,
611,
575
-0.5 613,
612,
575
9.4
0.0
616,
601,
576
0.0
11.7
-2.2 580,
580,
575
-2.0 579,
581,
576
18.0
-0.4 611,
636,
574
0.0
610,
632,
575
21.5
-0.3 630,
675,
575
0.0
628,
677,
576
613,
599,
576
43
Rysunek 2a przedstawia krzywe zarejestrowane dla stopu AlSi 9.4 krzepnącego w kokili
zamkniętej pokrywą. W odlewie tym obciągnięcie zaczęło się tworzyć w momencie,
gdy temperatura w osi stożka była wyższa od temperatury likwidus o 15 deg. Proces
tworzenia obciągnięcia zaznaczył się jednoczesnym, szybkim spadkiem tempe ratury
mierzonej termoelementem T5 (zapadanie się ścianki odlewu) i ciśnienia względnego
wewnątrz odlewu. Ciśnienie to jeszcze przed rozpoczęciem przemiany eutektycznej
osiągnęło wartość zerową, świadczącą o panowaniu w odlewie ciśnienia
atmosferycznego. Taka jego wartość świadczy o przeistoczeniu się obciągnięcia w
otwartą jamę skurczową, co dobrze ilustruje załączone w tablicy 1 zdjęcie odlewu. O
tworzeniu się głębokiej jamy świadczyły też szybkość i poziom obniżenia się
temperatury T5. Rysunek 2b jest przykładem krzywych, charakterystycznych dla
przypadku powstawania klasycznego obciągnięcia. Krzywe te zarejestrowano dla stopu
AlSi 11.7 krzepnącego w kokili zamkniętej pokrywą. Obciągnięcie zaczęło się tu
tworzyć w okresie, gdy w osi odlewu panowała już temperatura likwidus.
Reprezentowany zmianami temperatury T5 proces zapadania się ścianki był tu
powolniejszy. Zapadaniu się ścianki towarzyszył wyraźny spadek ciśnienia wewnątrz
odlewu, które w okresie przemiany eutektycznej osiągnęło wręcz wartość ujemną (-2.2
kPa). Utrzymanie podciśnienia wewnątrz odlewu świadczy o jego szczelności i braku
otwartej jamy skurczowej. Po całkowitym zakrzepnięciu odlewu wartość podciśnienia
zaczęła powoli się zmniejszać, co można przypisać zmniejszaniu się wraz z temperaturą
objętości jamy wewnętrznej. Jak wcześniej zaznaczono, rysunek 2 stanowi przykład
dwu zasadniczych typów przebiegu procesu powstawania powierzchniowych wad
skurczowych. Podobne relacje odnotowano dla pozostałych stopów, dodać tu jednak
należy, że uzyskiwano w niektórych eksperymentach zerową , końcową wartość
ciśnienia wewnątrz odlewu, pomimo braku widocznej, otwartej jamy skurczowej
(Tabela 1). Prawdopodobnie w przypadkach tych mikronieszczelność odlewu wynikała
z mikroporowatości międzydendrytycznej.
W tabeli 1 przedstawiono ilustracje zdjęciowe większości uzyskanych w
eksperymentach odlewów wraz z informacją o wartości końcowego ciśnienia
względnego w odlewie oraz temperaturach: likwidus TL, eutektycznej TE i początku
zapadania się ścianki To (wartość tej ostatniej temperatury dla odlewów o znikomym
obciągnięciu może jednak odzwierciedlać jedynie moment powstawanie szczeliny
powietrznej). W tabeli nie ujęto ilustracji dla aluminium i stopów AlSi 6.0 oraz AlSi
12.5 z uwagi na podobieństwo rezultatów uzyskanych odpowiednio dla stopów: AlSi
0.85, AlSi 6.9, AlSi 11.7. Zgromadzone w tabeli 1 ilustracje zdjęciowe pozwalają
zauważyć, że zarówno w odlewach wykonanych z użyciem pokrywy, jak i z jej
pominięciem powstawało obciągnięcie na górnej powierzchni odlewu, lecz w
przypadku braku pokrywy było ono większe. Konsekwencją powyższego - w
większości przypadków – była mniejsza tendencja do tworzenia wad skurczowych na
powierzchni stożkowej odlewów krzepnących bez udziału pokrywy. Często też brak
pokrywy powodował ujawnienie się niewielkiej otwartej jamy skurczowej na
powierzchni bocznej (AlSi 0.85, AlSi 5.4, AlSi 21.5). Miejsce występowania tych jam
może jednak sugerować, że mogły one powstać w wyniku zetknięcia metalu ze spoiną
44
pomiarową termoelementu mierzącego temperaturę T5 ( niedostateczna zwilżalność
termoelementu przez ciekły metal często powoduje powstawanie w tym miejscu
niewielkich wad powierzchniowych ).
3. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone dla aluminium i jego podwójnych stopów z krzemem badania
wykazały, że opracowane przez autora stanowisko pozwala na prowadzenie badań nad
mechanizmem powstawania obciągnięć w odlewach. Uzyskane rezultaty wykazały, że
obciągnięcia zaczynają się tworzyć w początkowym okresie krzepnięcia, a ich
powstawaniu towarzyszy spadek ciśnienia wewnątrz odlewu. Dla stopów tworzących
szczelną skorupę i wykazujących duży skurcz objętościowy podciśnienie w końcowym
okresie krzepnięcia może osiągać wartość pojedynczych kPa. Metale tworzące
wytrzymałą warstwę przyścienną mogą przy tym poziomie podciśnienia nie wykazywać
skłonności do obciągnięć. W stopach tworzących warstwę o małej wytrzymałości i
skłonnych do tworzenia mikroporowatości dendrytycznej obciągnięcia powstają
znacznie łatwiej, a ciśnienie względne wewnątrz odlewu osiąga wartość zerową; w
stopach tych obciągnięcie może przeistoczyć się w otwartą jamę skurczową.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
Górny Z.: Metale nieżelazne i ich stopy odlewnicze- topienie, odlewanie,
struktury i właściwości, t. II, część 5, Instytut Odlewnictwa, Kraków 1995.
Kotlarskij F. M. i in.: Obrazovanije utjazki w otlivkach iz aluminievych splavov,
Litejnoje Proizvodstvo, nr 4, 1986, s. 9-11.
Mutwil J.: Stanowisko do badania skłonności metali i stopów do tworzenia
obciągnięć, Archiwum Odlewnictwa vol. 3, nr 8, 2003, s. 99-104.
SUSCEPTIB ILITY OF ALUMINUM AND Al-Si BINARY ALLOYS TO
FORMATION OF SHRINKAGE DEPRESSION
SUMMARY
A stand for examination of metals and alloys susceptibility to shrinkage d epression
formation has been described. The measurement of pressure in solidifying casting and
temperatures in its appropriate places allows to estimate the course of shrinkage
depression formation. The investigation results for aluminum and Al-Si binary alloys
have been presented.
Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski