Pobierz - Archives of Foundry Engineering

Pobierz - Archives of Foundry Engineering

Archives of Foundry,
Year 2003, Volume 3, № 10
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
6/10
BADANIA GĘSTOŚCI CIEKŁYCH STOPÓW ALUMINIUMKRZEM
J. MUTWIL1 , A. ROMANKIEWICZ2 , R. ROMANKIEWICZ3
Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego
65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4.
STRESZCZENIE
Opisano stanowisko do szybkiej oceny gęstości ciekłych metali i stopów.
Stanowisko badawcze pozwala w pojedynczym eksperymencie ustalić zależność
gęstości ciekłego metalu od temperatury. Opisano badania gęstości dwuskładnikowych
stopów Al-Si oraz nadeutektycznego siluminu technicznego.
Key words: density of liquid aluminum-silicon alloys
1. WPROWADZENIE
Jednym z parametrów materiałowych, którego znajomości temperaturowej
charakterystyki wymagają nowoczesne programy do symulacji procesu tworzenia
odlewu jest gęstość ciekłych metali i stopów. Wartości gęstości konkretnych stopów
komercyjnych w stanie ciekłym, a tym bardziej jej temperaturowych charakterystyk
literatura fachowa praktycznie nie podaje. Dotyczy to również powszechnie
stosowanych w odlewnictwie siluminów. W obszernym opracowaniu książkowym
dotyczącym aluminium i jego stopów Mondolfo [1] podaje jedynie wyrywkowe
informacje na temat gęstości. Dla siluminów podaje między innymi, że krzem w
roztworze, zarówno ciekłym jak i stałym powoduje wzrost gęstości stopu, natomiast
wydzielenie się krzemu pierwotnego i eutektycznego prowadzi do jej obniżenia. Autor
ten podaje też, że siluminy o koncentracji krzemu z przedziału 7-12% wykazują w
temperaturze likwidus gęstość: 2430-2460 kg/m3 , która w temperaturze 1300 K spada
do poziomu 2290 kg/m3 . W pracy [2] autor przedstawił propozycję wykorzystującego
1
dr hab. inż., prof. UZ, [email protected];
student V roku WM- UZ
3
mgr inż.,
2
54
prawo Archimedesa stanowiska pozwalającego na łatwe wyznaczanie charakterystyk
temperaturowych 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 [3, 4]. Wspomniane problemy
ograniczono, wykonując próbnik grafitowy. Za wyborem grafitu przemawiały: mały
współczynnik akumulacji ciepła i rozszerzalności termicznej, słaba zwilżalność i
rozpuszczalność przez ciekłe metale (za wyjątkiem stopów żelaza) oraz niska cena.
2. OPIS STANOWISKA I BADAŃ
Schemat stanowiska z zastosowaniem próbnika grafitowego przedstawiono na
rysunku 1.
6
b)
a)
11
7
3
Ø5
Ø38x30
10
6
4
9
8
12
3
5
4
2
5
Ød
ØD
h
1
H
Rys.1. Stanowisko do badania gęstości ciekłych metali i stopów: a) schemat próbnika; b)
schemat stanowiska: 1 – piec oporowy, 2 – 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-16, 10 - komputer PC, 11 – ramię podnośnika , 12 – układ kontroli zanurzenia
próbnika
Fig.1. Test stand for density examination of liquid metals and alloys: a) schematic diagram
of sinker; b) schematic diagram of test stand: 1 – resistance furnace, 2 – 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 PDOC16, 10 - PC, 11 – lift arm, 12 – control system of sinker immersion
55
Rysunek 1a pokazuje, że wykonany z grafitu walcowy pró bnik właściwy o średnicy
D=30mm i wysokości H=35 mm pogrążany jest w metalu na głębokość h=10 mm.
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=5.5 mm 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. Odpowiedni ciężar
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 i wykręca oraz ostatecznie blokuje nakrętką), aby
ich ostrza były odległe od górnej podstawy walca D x H o wartość h (stosuje się w tym
celu płytkę wzorcową o grubości h). Próbnik opuszczany jest do tygla z badanym
metalem za pomocą ruchomego ramienia podnośnika kolumnowego 11, aż do
momentu, gdy zapalenie się żarówki z układu 12 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. Badania można prowadzić w wersji
przedstawionej na rysunku, bądź poza piecem, co przyspieszy prędkość stygnięcia
stopu. Po uwzględnieniu wymiarów ogólnych z rys.1a i termicznych zmian
wymiarowych próbnika, gęstość ciekłego metalu można wyrazić zależnością:


F  d 1  3 T    cos 
c =
g  p 1    T 
(1)
gdzie:
ρc - gęstość ciekłego metalu, kg/m3 ,
ΔF - zmiana ciężaru próbnika na skutek pogrążenia, N,
 - napięcie powierzchniowe metalu, N/m,
θ - kąt zwilżania przez metal drążka d, ˚,
vp - całkowita objętość pogrążonego próbnika, m3 ,
g - przyśpieszenie ziemskie, m/s 2 ,
β = 3
- współczynnik rozszerzalności objętościowej grafitu, K-1 ,
-6
=4 x10 - współczynnik rozszerzalności liniowej grafitu, K-1 ,
ΔT = Tm - 20 , deg,
Tm - temperatura ciekłego metalu, ˚C.
Błąd pomiaru gęstości tą metodą jest 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
56
dwa równoległe pomiary na próbnikach różniących się jedynie średnicą D. Jeśli wykona
się pomiary dla tej samej temperatury metalu, to można wyznaczyć wtedy rzeczywistą
wartość wyrażenia  cosθ z równania przedstawionego w pracy [2] (równanie
uzyskano z przyrównania prawych stron równania (1) napisanych dla dwu różnych
średnic próbnika).
Dla sprawdzenia poprawności uzyskiwanych na stanowisku wyników
przeprowadzono serię prób na aluminium i dwuskładnikowych stopach Al-Si:
(AlSi0.85; AlSi1.65; AlSi4.0; AlSi5.4; AlSi6.9; AlSi9.4; AlSi12.5; AlSi18.0; Al Si21.5).
Stopy sporządzono w piecu oporowym, wtapiając krzem do aluminium.
Przeprowadzono też badania, w których dodając do aluminium kolejno krzem, magnez,
miedź i nikiel uzyskano ostatecznie stop AlSi21Mg0.75Cu1.35Ni1.05. W badaniach
tych wyznaczano gęstość każdorazowo po dodaniu kolejnego składnika. Wszystkie
badania gęstości wykonywano poza piecem, co pozwoliło skrócić czas eksperymentu.
Na rysunku 2 przedstawiono ilustrację pomiaru wykonanego dla stopu
dwuskładnikowego AlSi21.5 - przedstawiciela stopów nadeutektycznych, dla których
możliwy był pomiar gęstości również w przedziale temperatur krzepnięcia.
Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i siły przedstawiono na rysunku 2a. Do
określenia zależności gęstości badanego stopu od temperatury (rys. 2b) posłużył pomiar
przedstawiony na rysunku 2a i równanie 1. Obliczenia wykonał opracowany przez J.
Mutwila program do obsługi mikroprocesorowego rejestratora PDOC-16. W celu
przeprowadzenia obliczeń należało wcześniej na wykresie 2a 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 zmian gęstości
we wskazanym przedziale temperatury program wyraża zależnością liniową:  = aT+b,
podając jednocześnie wartości jej współczynników. Wyznaczona charakterystyka  =
aT+b (linia fioletowa na rysunku 2b) pozwala ekstrapolować wyniki poza przedział BC. Dla poprawności obliczeń istotny jest prawidłowy wybór początku przedziału (punkt
B). Na rysunku 2a wyraźnie można zauważyć etap pogrążenia (szybki spadek siły)
próbnika w metalu. Punkt B powinien być wybrany dla czasu, gdzie efekt ciśnienia
dynamicznego
wywołany pogrążaniem próbnika nie będzie już oddziaływał na
rejestrowaną siłę, a nagrzanie się próbnika uwidoczni się stabilizacją prędkości
stygnięcia metalu. Analiza wykresu 2b pozwala zauważyć, że w okresie przegrzania
stop wykazywał quasi-liniową zależność gęstości od temperatury. W temperaturze
likwidus wystąpiło chwilowe, niewielkie zmniejszenie gęstości, po czym gęstość
zaczęła szybko wzrastać, aż do temperatury zaznaczonej na wykresie pionową linią
przerywaną, by ponownie spadać przy dalszym obniżaniu się temperat ury. Podobną
tendencję odnotowano dla pozostałych stopów nadeutektycznych, a p otwierdzeniem
tego
jest
ilustracja
zmian
gęstości
stopów:
AlSi21.5Mg0.75Cu1.35,
AlSi21.5Mg0.75Cu1.35Ni1.05
(rys.3). Odnotowany przebieg zmian gęstości w
zakresie temperatur krzepnięcia stopów nadeutektycznych jest niezgodny z
oczekiwaniami (wydzielanie krzemu pierwotnego powinno skutkować zmniejszaniem
57
się gęstości). Tak dużych zmian nie można też wiązać ze spadkiem rozpuszczalności
gazów.
a)
b)
Rys. 2. Pomiar dla stopu AlSi 21.5%: a) zmiany temperatury metalu i
ciężaru próbnika  30 mm; b) zależność gęstości od temperatury
Fig. 2. M easurement for AlSi 21.5% alloy: a) changes of metal
temperature and weight of  30 mm sinker; b) temperature
dependency of density
58
a)
b)
Rys. 3. Zależność gęstości od temperatury
a) AlSi21.5M g0.75Cu1.35; b) AlSi21.5M g0.75Cu1.35Ni1.05
Fig. 3. Temperature dependency of density:
a) AlSi21.5M g0.75Cu1.35; b) ASi21.5M g0.75Cu1.35Ni1.05
Prawdopodobną przyczyną zaobserwowanego, pozornego wzrostu gęstości jest
nieprawidłowe ukształtowanie próbnika grafitowego. Można bowiem założyć, że
mające tendencję do wypływania z cieczy pierwotne kryształy krzemu, mo gą być –
59
podobnie jak pęcherze gazowe -zatrzymywane przez płaskie dno próbnika, powodując
wzrost siły wyporu. W związku z powyższym przed podjęciem dalszych badań powinna
zostać dokonana modyfikacja geometrii próbnika grafitowego. W zmodyfikowanej
wersji dno próbnika powinno przyjąć formę odwróconego stożka, co utrudni
gromadzenie się na nim wydzieleń.
Wyniki wszystkich przeprowadzonych badań gęstości zebrano w tabeli 1. Dla
każdego stopu podano tam wartości współczynników charakterystyki liniowej (a, b),
temperaturę początku krzepnięcia oraz gęstość w temperaturze 800 C (  800 ) i
temperaturze likwidus (  TL). Dla wszystkich stopów współczynniki charakterystyki
liniowej są odpowiednie jedynie dla metalu przegrzanego (rys.2, 3).
Tabela 1. Wyniki badań gęstości
Table 1. Results of density investigations
Stop
A0
AlSi0.85
AlSi1.65
AlSi4.0
AlSi5.4
AlSi6.9
AlSi9.4
AlSi12.5
AlSi18.0
AlSi21.5
AlSi21.5Mg0.75
AlSi21.5Mg0.75Cu1.35
AlSi21.5Mg0.75Cu1.35Ni1.05
TL,
C
659
655
652
632
627
615
596
576
639
685
675
670
675
a,
kg/m3 C
-0.394
-0.345
-0.315
-0.355
-0.358
-0.369
-0.359
-0.341
-0.422
-0.195
-0.419
-0.313
-0.244
b,
kg/m3
2646
2627
2609
2644
2657
2672
2661
2660
2731
2562
2691
2643
2598
 800,
kg/m3
2330
2348
2358
2360
2370
2374
2373
2380
2394
2405
2357
2391
2401
 TL,
kg/m3
2387
2402
2405
2420
2433
2444
2448
2461
2465
2410
2411
2643
2435
3. PODSUMOWANIE
Przedstawione dla stopów aluminium z krzemem badania zostały przeprowadzone w
celu przetestowania opracowanego stanowiska do szybkiej oceny gęstości ciekłych
metali i stopów. Uzyskane rezultaty potwierdzają ogólną poprawność przyjętych
rozwiązań metodycznych. Badania przeprowadzone dla siluminów nadeutektycznych
wskazały jednak na konieczność dokonania zmian w geometrii próbnika grafitowego.
W zmodyfikowanej wersji dno próbnika powinno przyjąć formę odwróconego stożka,
co utrudni gromadzenie się na nim gazowych i stałych wydzieleń, które wypływając z
badanego metalu mogą zwiększać rejestrowaną siłę wyporu. Z uwagi na słabą
zwilżalność grafitu przez ciekłe metale również górne sklepienie próbnika powinno
mieć stożkowe zwieńczenie, co zapewni lepsze przyleganie metalu w miejscu jego
połączenia z częścią walcową o średnicy d. W ostatecznym rozwiązaniu powinno się
60
również zastosować system przesłon eliminujących prądy konwekcyjne nagrzanego
powietrza. Przeprowadzone badania wykazały dużą trwałość grafitu stosowa nego na
materiał próbnika (po przeprowadzonej serii badań nie odnotowano zmian
wymiarowych próbnika).
LITERATURA
.
[1]
Mondolfo L.F.: Aluminum alloys: Structure and Properties, Butter Worths,
London-Boston, 1976
[2]
Mutwil J.: Stanowisko do badania gęstości ciek łych metali i stopów do tworzenia
obciągnięć, Archiwum Odlewnictwa vol. 3, nr 8, 2003, s. 105-110.
[3]
Takamichi I., Guthrie I.: The physical properties of liquid metals, Clarendon
Press, Oxford, 1988.
[4]
Wertman A.A, Samarin A.M.: Mietody issledovanja svojstv metalliceskych
rasplavov, Izdatielstvo „Nauka”, Moskwa 1969
DENSITY INVESTIGATIONS OF LIQUID ALUMINUM-SILICON ALLOYS
SUMMARY
A test stand for fast estimation of density of liquid metals and alloys has been described.
The test stand allow by single experiment to estimate the temperature dependence of
liquid metal density. Density investigations of liquid binary aluminum-silicon alloys
and hypereutectic commercial alloy have been described.
Recenzował dr hab. Jan Szajnar