Pobierz

Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998
Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998
PAN – Katowice
PL ISSN 0208-9386
3/37
KRZYWE PŁYNIĘCIA CIEKŁEGO ŻELIWA
BOROWIECKI Bogusław
Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Szczecińska
70-370 Szczecin, ul. Aleja Piastów 19, POLAND
STRESZCZENIE
Przeprowadzono badania wypełniania ciekłym żeliwem pionowych kanałów o różnych
przekrojach, przy zachowaniu stałego ciśnienia metalostatycznego i stałych warunkach
termofizycznych materiału formy. Sporządzono wykresy zależności długości powstałych
prętów w funkcji ich średnic. Dokonano analizy matematycznej powstałych krzywych
płynięcia. Ustalono, że otrzymane krzywe płynięcia żeliwa zależą od stopniu przegrzania
zalewanego metalu.
1. WPROWADZENIE
Jakość odlewów w znacznym stopniu zależy od właściwości stopów w stanie ciekłym,
w tym również od właściwości reologicznych. Niska lepkość stopów żelaza zmniejsza
porowatość skurczową odlewów, ułatwia wypływanie pęcherzyków gazowych i wtrąceń
niemetalicznych oraz ogranicza powstawanie wad, takich jak: bąble, pęcherze gazowe, jamy
skurczowe, wtrącenia żużla, fałdy itp.[5].
Rozwój metod numerycznych w zakresie symulacji komputerowych procesów wypełniania
formy ciekłym metalem wymaga kontynuowania badań nad oznaczaniem właściwości
reologicznych ciekłych stopów, które pozwoliłyby na zwiększenie dokładności
symulowanych procesów i rozszerzanie ich zastosowania.
Reologia fenomenologiczna traktuje badane ciało jako ośrodek ciągły (continuum), który
można scharakteryzować za pomocą doświadczalnie określonych parametrów reologicznych,
nie wnikając w rzeczywistą cząsteczkową budowę ciała. Każda ciecz ma wszystkie możliwe
właściwości reologiczne i ujawnia je tylko w różnym stopniu zależnie od warunków
fizycznych. [3]
W kanałach form piaskowych, w warunkach wysokich temperatur, tworzenie się warstwy
przyściennej, zjawiska wymiany ciepła oraz reakcje chemiczne zachodzące na granicy metalforma oddziałują na proces przepływu metalu [2]. Przepływem określa się odkształcenie
nieodwracalne, którego stopień – pod działaniem sił o ograniczonej wartości – wzrasta z
upływem czasu. Energia zużyta na wymuszenie przepływu ulega dysypacji. Odkształcenie
może spowodować zmianę objętości ciała lub zmianę jego kształtu.
26
Określenie właściwości reologicznych cieczy wymaga wyznaczenia krzywej płynięcia tej
cieczy. Krzywą płynięcia określa się wykres reologiczny cieczy sporządzony w układzie
współrzędnych: naprężenia styczne jako funkcja prędkości ścinania, rysunek nr 1 [3].
Rys. 1. Krzywe płynięcia cieczy; 1 – ciało binghamowskie, 2 – ciecze pseudoplastyczne, 3 –
ciecze newtonowskie, 4 – ciecze zagęszczane ścinaniem; y – granica płynięcia ciała
binghamowskiego, [3]
Fig 1. The flow curves of liquid: 1 – Bingham plastic, 2 – pseudoplastic liquid, 3 –
Newtonian fluid, 4 – shering condensed liquid; y – flow limit Bingham plastic, [3]
Wymaga się aby krzywa płynięcia była wyznaczana w możliwie szerokim zakresie
szybkości ścinania, w tym także w zakresie niskich szybkości ścinania [3]. Dla cieczy
newtonowskiej występuje prosta proporcjonalność między naprężeniem stycznym a
prędkością ścinania.
Parametry reologiczne cieczy charakteryzują ich zachowanie się w czasie przepływu
i tylko w warunkach przepływu mogą być zmierzone. Pomiary muszą obejmować zakres
szybkości ścinania występujących w zagadnieniach praktycznych, które są celem
przeprowadzanych badań.
Metoda pomiaru parametrów reologicznych cieczy nienewtonowskich musi umożliwić
wyznaczenie wielu punktów krzywej płynięcia. Dla substancji pozostających w stanie
ciekłym w warunkach normalnych, istnieje wiele metod oznaczania parametrów
reologicznych i wyznaczania krzywej płynięcia [3,4]. Dla ciekłych metali, wyznaczanie
parametrów reologicznych i krzywej płynięcia, wymaga stosowania metod, które
uwzględniają wysokie temperatury ciekłych stopów metali i zjawisko krzepnięcia. Taką
możliwość upatruje się w próbie prętowej lejności [1].
Uwzględniając zjawiska występujące podczas wypełniania ciekłym żeliwem pionowych
kanałów formy w próbie prętowej, oraz przebieg krzywych wyznaczanych przez wysokości
powstałych prętów w funkcji ich średnicy przyjęto hipotezę, że krzywe te charakteryzują
zdolność żeliwa do płynięcia w kanałach formy odlewniczej, a miarą określającą właściwości
reologiczne ciekłego metalu zalewanego w określonej temperaturze będą współczynniki
wyznaczone w równaniach regresji opisujących krzywe płynięcia.
27
2. PRZEDMIOT I METODY BADAŃ
Próba prętowa lejności (nazywana harfą „Czikela”)
polega na wypełnianiu ciekłym metalem systemu kanałów pionowych o różnych średnicach i rozmieszczonych w jednakowej odległości od wlewu głównego połączonych ze wspólną poziomą wnęką o stałej
grubości w kształcie koła, w sposób przedstawiony na
rysunku 2 [1].
Badania przeprowadzono w odlewni żeliwa,
w której metal wytapiano w żeliwiakach. Skład chemiczny żeliwa oznaczano za pomocą crystaldigrafu
i obliczano współczynnik nasycenia eutektycznego.
Formy doświadczalne wykonywano z mas bentonitowych. Z każdej kadzi odlewano po trzy próby
w odstępach czasu umożliwiających uzyskanie wymaganych temperatur przegrzania: 150 K, 90 K
i temperatury bliskiej likwidusu. W artykule przedstawiono wyniki badań z żeliwem szarym o współczynniku nasycenia eutektycznego Sc = 0,94.
Rys. 2. Próba prętowa lejności [1]
Fig. 2. The test of bar fluidity [1]
3. WYNIKI BADAŃ
Lejność jest parametrem określającym odległość, na jaką może dopłynąć metal w kanale
formy, zanim postępujący proces krzepnięcia zatrzyma przepływ. Metal płynący przez kanały
o różnych średnicach wskutek różnicy temperatur między zimną formą a gorącą strugą ulega
przechłodzeniu. Gdy temperatura stopu osiąga wartość likwidusu w cieczy pojawiają się
zarodki, które po przekroczeniu wartości krytycznej są zdolne do rozrostu w kryształy.
Wzrasta lepkość płynącej cieczy i grubość warstwy przyściennej. Grubość warstwy
przyściennej narasta w miarę wzrostu długości kanału a przez to zmniejsza się czynny jego
przekrój. Największą prędkość struga posiada w osi kanału. Naprężenia styczne na granicy
zetknięcia się strugi z warstwa przyścienną metalu hamują przepływ [2].
Odlew powstały w formie ceramicznej pozwala na oznaczenie wysokości zalanych
kanałów w funkcji ich średnicy i ciśnienia metalostatycznego w zbiorniku wlewowym i
wlewie głównym, rys. 3.
28
200
180
160
wysokość pręta
140
1
120
3
100
2
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
średnica pręta
1 – krzywa płynięcia żeliwa przegrzanego o 150 K,
2 – krzywa płynięcia żeliwa przegrzanego o 90 K,
3 – krzywa płynięcia żeliwa o temperaturze bliskiej likwidusu
Rys. 3. Zależność wysokości zalanych prętów od ich średnicy: l – wysokość, φ – średnica
Fig. 3. The graph dependence of round irons heightes from their diameters: l – height,
φ – diameter
Z wykresu, rys. 3, wynika że między wysokością zalanych prętów a ich średnicą, dla
żeliwa szarego przegrzanego o 150 K, zachodzi zależność liniowa, opisana równaniem
regresji liniowej:
y= 23,4 x
Współczynnik korelacji r = 0,976.
Zależność otrzymana dla żeliwa wysoko przegrzanego odpowiada charakterystyce
uzyskiwanej dla cieczy newtonowskich.
Dla żeliwa przegrzanego średnio o 90 K krzywa płynięcia daje się opisać równaniem
regresji III stopnia:
y = – 0,87 x3 + 20,23 x2 – 122,1 x + 252,5
29
Z rozkładu wysokości prętów w funkcji ich średnicy wynika, że żeliwo przegrzane
w niedużym stopniu (o 90 K), zachowuje się jak ciecz nienewtonowska, w której można wyróżnić zakresy charakterystyczne:
– przy dużych szybkościach ścinania, co odpowiada wypełnianiu kanałów o najmniejszych
przekrojach poprzecznych i proporcjonalnie dużej prędkości strugi, ciekłe żeliwo
zachowuje się jak ciecz rozrzedzana ścinaniem;
– przy małych szybkościach ścinania, co odpowiada wypełnianiu kanałów o większych
średnicach malejącej prędkości, ciekłe żeliwo nosi cechy cieczy zagęszczanej ścinaniem;
– przy pewnej granicznej szybkości ścinania (co odpowiada średnicom o wartościach
pośrednich) przy pozornie niskiej lepkości metalu, wzrastających przekrojach
poprzecznych i stosunkowo dużej prędkości przepływu mogą występować zmiany
charakteru ruchu z laminarnego na burzliwy;
– lepkość pozorna ciekłego żeliwa maleje ze wzrostem szybkości ścinania.
Zjawiska te mają ścisły związek z grubością warstwy przyściennej, która nie zależy od
średnicy kanału lecz od lepkości metalu i właściwości termofizycznych materiału formy.
Zjawisko turbulencji powoduje odchylenia krzywej płynięcia w kierunku ku górze. Przy
dużych szybkościach ścinania cieczy o wysokiej lepkości, i gdy może wystąpić dysypacja
energii, krzywa płynięcia ulega odchyleniu w kierunku ku dołowi. W tym samym kierunku
odchylenie może powodować efektywny poślizg cieczy w kanale, gdzie przy ściankach
kanału występowało dławienie.
Dla żeliwa o temperaturze oscylującej w granicach likwidusu krzywa płynięcia daje się
opisać równaniem regresji kwadratowej:
y = 1,1 x2
Współczynnik korelacji r = 0,984.
Krzywe przedstawione na wykresie, rys. 3, można porównać z przebiegiem krzywych na
rysunku 1. Uwzględniając współrzędne na wykresach, rys. 1 i rys. 3, oraz ich podobny
przebieg, można stwierdzić, że wyniki badań potwierdzają słuszność przyjętej hipotezy
Przedstawione charakterystyki reologiczne cieczy wykorzystywane są do interpretacji
właściwości metali, które ochładzają się w stanie ciekłym, jak również służą do wyboru
odpowiedniego modelu fizycznego. Ciekłe stopy metali, powyżej temperatury likwidusu,
można rozpatrywać jako ciecze jednorodne [4]. Ciekłe metale, których temperatura zalewania
jest wyższa od temperatury krystalizacji, nie wykazują różnic w porównaniu w porównaniu z
zachowaniem się strugi cieczy rzeczywistych niemetalicznych. Na tej podstawie ustalono, że
model cieczy newtonowskiej można przenieść na przegrzany ciekły metal. Przy przepływach
pod- i nadeutektycznych ciekłych stopów metali o temperaturach oscylujących w granicach
temperatur likwidusu w strudze metalu znajdują się wydzielone kryształy [5]. Ten stan
ciekłego metalu odpowiada modelowi cieczy nienewtonowskiej, której lepkość zmienia się w
zależności od kształtu i liczby kryształów. Przy dalszym stygnięciu ciekłego metalu, w
przedziale temperatur między likwidusem a solidusem, tworzy się ciastowata masa, która
podczas przepływu daje się porównać z cieczami binghamowskimi. Przykładem stosowania
stopów metali, zachowujących się w formie jak ciało binghamowskie, jest odlewanie
ciśnieniowe [5].
30
4. WNIOSKI
Wysokość prętów żeliwnych, powstałych w próbie prętowej lejności, naniesiona na
wykres w funkcji ich średnicy wyznacza krzywe, które dają się porównać z krzywymi płynięcia substancji pozostających w stanie ciekłym w warunkach normalnych. Próba prętowa lejności pozwala wykreślić krzywe płynięcia dla żeliwa o różnym stopniu przegrzania:
– dla żeliwa o temperaturze przewyższającej o 150 K linię likwidusu krzywa płynięcia jest
funkcją liniową, odpowiada to krzywej płynięcia cieczy newtonowskiej i przechodzi przez
początek układu współrzędnych;
– dla żeliwa o temperaturze przewyższającej o około 90 K linię likwidusu przebieg krzywej
płynięcia wyznacza krzywą trzeciego stopnia;
– dla żeliwa o temperaturze bliskiej likwidusu przebieg krzywej płynięcia odpowiada przebiegowi krzywej wykładniczej.
LITERATURA
[1] Anspach H.: Flissproben und ihre Auswertung Giessereitechnik, Jahrgang, Heft 8/1963
[2] Borowiecki B.: Współczynnik odkształcenia warstwy przyściennej w próbach lejności.
Archiwum technologii maszyn i automatyzacji. Z. 12, Wyd. Politechniki Poznańskiej,
Poznań 1993, s. 77-84.
[3] Kembłowski Z.: Reometria płynów nienewtonowskich. WNT, Warszawa 1973.
[4] Wilkinson W., L.: Ciecze nienewtonowskie. WNT, Warszawa 1963.
[5] Wlodawer R.: Die gelenkte Erstarrung von Stahlguss. Giesserei – Verlag, Dusseldorf,
1967.
THE FLOW CURVES OF THE GREY CAST IRON
ABSTRACT
The test’s results of filling the gaps of the perpendiculare channels of various diameters,
made in sand mould with the liquid grey cast iron have been presented in the paper. There has
been ploted a graph presenting dependence of round iron’s heightes from their diameters. It
has been proved that, the flow curves of grey cast iron are flooding temperature- dependent.