Pobierz - Archives of Foundry Engineering

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8
Archives of Foundry
Year 2003, Volume 3, Book 8
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
10/8
STANOWISKO DO BADANIA SKŁONNOŚCI METALI
I STOPÓW 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.
Key words: susceptibility of metals and alloys to shrinkage depression formation
1. WPROWADZENIE
Obciągnięcie jest jedną z podstawowych wad odlewniczych spowodowanych
skurczem metali i stopów w okresie krzepnięcia. Ta wywołana niezadowalającym zas ilaniem powierzchniowa wada uwidacznia się najczęściej w obszarach węzłów ciep lnych odlewu. Skłonność metali i stopów do tworzenia obciągnięć jest silnie uzależniona
od ich składu chemicznego. Skład chemiczny stopu decyduje bowiem o wielkości powstającego w okresie krzepnięcia deficytu objętości, wpływa też istotnie na sposób jego
krzepnięcia. Sposób krzepnięcia determinowany dodatkowo szybkością stygnięcia o dlewu decyduje o jego zasilaniu, ma też istotny wpływ na wytrzymałość naskórka fazy
stałej pojawiającej się w początkowym okresie krystalizacji. Obszerny opis metod b adania i poglądów na temat skłonności metali i stopów do obciągnięć można znaleźć w
pracy Z. Górnego [1]. Zawarte tam informacje wskazują, że zgodnie przyjmuje się szeroki zakres temperatur krzepnięcia stopu, jako czynnik sprzyjający powstawaniu obciągnięć. Poglądy na temat roli innych czynników są już mniej zgodne. Istotne jednak
znaczenie może tu mieć pojawiające się w okresie krzepnięcia i wy nikające ze skurczu
podciśnienie wewnątrz odlewu, którego poziom może dodatkowo zależeć od ilości
1
dr hab. inż., prof. UZ, [email protected]
99
rozpuszczonych w metalu gazów [2]. Propozycję stanowiska badawczego pozwalającego oceniać ciśnienie wewnątrz krzepnącego odlewu przedstawiono poniżej.
2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Przystępując do opracowania metody badawczej założono, że dla oceny mech anizmu powstawania obciągnięcia rejestrowany powinien być przebieg krzepnięcia metalu w kokili o prostej geometrii, lecz lokalnie zróżnicowanych warunkach odprowadzania ciepła (miejscowe zmniejszenie intensywności odprowadzania ciepła). Wtedy w ob szarze zmniejszonej intensywności studzenia odlewu powinny stworzyć się warunki do
powstania obciągnięcia. W miejscu tym mierzona powinna być temperatura powierzc hni odlewu, co zapewni uchwycenie momentu zapadania się jego ścianki. Pomiar temp eratury powinien być też realizowany w osi odlewu i na przekroju ścianki. Ciśnienie
postanowiono mierzyć w obszarze węzła cieplnego. Schemat stanowiska spełniającego
wymienione założenia 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. 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; 5- tested metal;
6- steel pipe; 7, 8, 9, 10, 11- mantle thermocouple; 12-analog manometer; 13- microprocessor
recorder; 14- microcomputer.
Aby zapewnić możliwość uwzględnienia w badaniach czynnika geometrii odlewu p ostanowiono wykonać dwa typy form. Forma pierwsza (rys.2), zgodnie z ko ncepcją
100
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
przedstawioną na rys.1, pozwala na uzyskanie odlewu stożka ściętego (D=54 mm, d=40
mm, h=54 mm). Forma druga (rys.3 b) pozwala uzyskać odlew walcowy o średnicy
podstawy i wysokości identycznej jak dla odlewu stożka.
Rys. 2. Otwarta górna część formy stożkowej.
Fig. 2. Opened top part of conical mould.
Każda forma (rys. 1, 3a) składa się z podstawy, dzielonej formy właściwej oraz pokrywy. Na płaszczyźnie podziałowej formy (rys. 2) wyfrezowane są 4 rowki 1,6 x 1,6 mm
pozwalające na instalowanie na wybranej wysokości stalowej igły iniekcyjnej 1,6 mm
do pomiaru ciśnienia. Na rysunku 2 widoczne są też wyfrezowane na płaszczyźnie
podziałowej formy wybrania do formowania w nich wkładki z masy formierskiej.
Wspomnianą wkładkę zagęszcza się po złożeniu połówek kokili i wprowadzeniu do jej
wnęki rdzenia z poliamidu (rys.3b). 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. Formy wykonano ze stali WCL i ulepszono cieplnie w wysokociśnieniowym piecu próżniowym (temperatura odpuszczania:
T = 650C). Przed zalaniem formy instalowane są w niej wszystkie czujniki pomiarowe
(rys.1). Aby ograniczyć możliwość zaczopowania przez krzepnący metal o tworu 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. Formy zalewane są od góry, a bezp ośrednio po zalaniu na powierzchnię swobodną metalu kładzione są walcowe, metalowe
pokrywy ograniczające 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.
101
a)
b)
Rys. 3. Forma stożkowa wraz z pokrywą (a) i otwarta forma walcowa z rdzeniem (b)
Fig. 3. Conical mould with cover (a) and opened cylindrical mould with core (b)
3. PRZYKŁ AD POMIARU
Na rysunku 4 pokazano przykładowe zdjęcie stożkowego odlewu (silumin
AK11) z wyraźnie wykształconą wadą obciągnięcia, która, tak jak założono, uwidoczn iła się w miejscu o zmniejszonej szybkości odprowadzania ciepła (miejsce styku
z wkładką piaskową).
Rys. 4. Silumin AK11, odlew stożkowy.
Fig. 4. AlSi11 alloy, conical casting.
W ilustrowanym pomiarze formę po zalaniu zamknięto pokrywką, mimo tego, na górnej
ściance odlewu powstała niewielka skurczowa wada nieciągłości powierzchni, która
mogła spowodować ograniczenie i tak wyraźnego obciągnięcia.
102
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
T1
T2
T3
T4
p
Rys. 5. Zarejestrowane zmiany temperatury i ciśnienia dla odlewu z rys. 4.
Fig. 5. Temperature and pressure changes registered for casting from fig. 4.
Na rysunku 5 przedstawiono zarejestrowane dla omawianego odlewu krzywe zmian
ciśnienia i temperatury. Ciśnienie mierzono na poziomie połowy wysokości wkładki
piaskowej, a ostrze igły oddalone było od jej powierzchni o 15 mm. Temperaturę mierzono w czterech miejscach, a spoiny pomiarowe termoelementów umieszczone były na
poziomie igły. Temperaturę T1 mierzono w osi stożka, temperaturę T2 w po łowie grubości ścianki odlewu, temperaturę T3 wyznaczył termoelement, który odgięto tak, aby
jego spoina stykała się z powierzchnią boczną ścianki kokili, natomiast temperaturę T4
mierzył termoelement umieszczony we wkładce piaskowej, tak aby jego spoina pomiarowa wystawała z jej powierzchni (rys. 1). Analiza przebiegu temperatury T4 pozwala
zauważyć, że już w początkowym okresie krzepnięcia zaczęło się tworzyć obciągnięcie,
co przejawiło się wyraźnym zmniejszaniem się tylko tej temperatury, co
z kolei świadczyć może o utracie kontaktu spoiny pomiarowej ze ścianką odlewu (zapadanie się ścianki). W tym samym czasie rozpoczęło się również obniżanie ciśnienia
wewnątrz odlewu. Tuż przed zakończeniem krzepnięcia wytworzone podciśnienie było
na poziomie 2.4 kPa.,0 Po zakończeniu krzepnięcia wartość podciśnienia zaczęła się
zmniejszać, co można przypisać zmniejszaniu się objętości jamy wewnętrznej i spadkowi w niej temperatury. Zarejestrowany pomiar może świadczyć o istotnej roli p o-
103
wstającego wewnątrz krzepnącego odlewu podciśnienia w mechanizmie tworzenia
obciągnięć – szczególnie tych, które powstają na bocznych i dolnych ściankach odlewu.
4. PODSUMOWANIE
Zastosowane rozwiązania w opracowanym stanowisku do oceny skłonności metali i stopów do tworzenia obciągnięć w odlewach pozwalają zarówno na prowadzenie
badań nad mechanizmem powstawania tej wady, jak i wpływem na nią czynników metalurgiczno-technologicznych. Istotnym uzupełnieniem eksperymentów tego typu mogłyby być badania nad wytrzymałością na zginanie naskórka fazy stałej pojawiającej się
w początkowym okresie krzepnięcia.
LITERATURA
[1] Górny Z.: Metale nieżelazne i ich stopy odlewnicze- topienie, odlewanie, struktury
i właściwości, t. II, część 5, Instytut Odlewnictwa, Kraków 1995.
[2] Kotlarskij F. M. i in.: Obrazovanije utjazki w otlivkach iz aluminievych splavov,
Litejnoje Proizvodstvo, nr 4, 1986, s. 9-11.
STAND FOR INVESTIGATION OF METALS AND ALLOYS
SUSCEPTIB ILITY TO FORMATION OF SHRINKAGE DEPRESSION
SUMMARY
A stand for examination of metals and alloys susceptibility to shrinkage depre ssion 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.
Recenzował: prof. dr inż. Józef Gawroński
104